Tieferes Verständnis des Zusammenspiels der beiden Gehirnhälften
Schlaganfälle sind die zweithäufigste Todesursache und betreffen allein in Europa über 2 Millionen Menschen pro Jahr. Die Schlaganfalldiagnostik und die klinische Beurteilung werden mithilfe der Neurobildgebung durchgeführt, aber die Vorhersagen zur Genesung sind begrenzt. Diese Vorhersagen sind besonders schwierig, wenn ein Mensch einen Schlaganfall auf einer Seite des Gehirns erleidet. Die Neurowissenschaft geht seit vielen Jahren davon aus, dass sich die Funktionen der beiden Hemisphären deutlich voneinander unterscheiden: Die Sprache beispielsweise wird von der linken Hemisphäre dominiert, während die visuell-räumlichen Funktionen eher der rechten Hemisphäre zuzuordnen sind. Doch die Fortschritte in der Neurobildgebung und der Forschung – auch mit Schlaganfalldaten – haben diese Annahmen auf den Prüfstand gestellt. „Das Gehirn scheint über eine bemerkenswerte Anpassungs- und Kompensationsfähigkeit zu verfügen, wobei die genauen Mechanismen und Faktoren, die diese Prozesse steuern, noch Gegenstand laufender Forschungen sind“, erklärt Stephanie Forkel, Forscherin am französischen National Centre for Scientific Research (CNRS) und Koordinatorin des Projekts PERSONALISED. Im Rahmen des Projekts PERSONALISED, das über die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen finanziert wurde, nutzten die Forschenden Neurobildgebung und Computermodellierung, um die zugrunde liegenden Verbindungen zwischen den Gehirnhälften zu erforschen. „Das Verständnis dieser Mechanismen ist vielversprechend für die Verbesserung der Genesung nach einem Schlaganfall und der Neurorehabilitationsstrategien“, fügt Forkel hinzu.
Verursachung künstlicher Läsionen
PERSONALISED nutzte bereits vorhandene hochauflösende Open-Source-Neurobildgebungs- und -Kognitionsdaten aus einem robusten Datensatz von 1 200 gesunden Teilnehmenden des Human Connectome Project (HCP), dem größten und fortschrittlichsten Datensatz auf diesem Gebiet. Die Hauptziele von PERSONALISED bestanden darin, den Zusammenhang zwischen der Hirnanatomie und den dynamischen Variationen der Lateralisierung des Gehirns aufzudecken und die Verbindung zwischen dieser Dynamik und der Schwere der Symptome sowie der Erholung nach dem Schlaganfall herzustellen. Zunächst maßen die Forschenden die funktionelle und strukturelle Lateralisierung im gesunden Gehirn beim unangeleiteten Betrachten von Videos. Anschließend simulierten sie die Auswirkungen des Schlaganfalls durch künstliche Läsionen und erstellten ein Modell, das anhand realer Neurobildgebungs- und Kognitionsdaten von Schlaganfallbetroffenen bewertet wurde. „Diese drei Forschungsphasen haben die Feinheiten der Lateralisierungsmechanismen des Gehirns auf individueller Ebene entschlüsselt, die klinischen Vorteile fortschrittlicher Neurobildgebung aufgezeigt und einen spannenden Weg für die Erforschung dynamischer Gehirnmechanismen in zukünftigen Studien geebnet“, merkt Forkel an.
Entschlüsselung der Feinheiten der Gehirnverbindungen
Die Forschungen ergaben, dass die Gehirnverbindungen eine weitaus tiefgreifendere Rolle spielen als nur die Übertragung von Signalen zwischen den Gehirnregionen. Vielmehr ergeben sich Verhalten und Kognition aus dynamischen Verbindungen zwischen kortikalen Arealen. „Dieses Zusammenspiel erfordert eine feine Orchestrierung lokaler und entfernter Hirnregionen durch dicht verbundene Netzwerke“, erklärt Forkel. „Die Verbindungen im Gehirn sind also die Grundlage für die funktionelle Organisation des Gehirns.“ Ein weiteres bahnbrechendes Ergebnis des Projekts ist, dass die Bildgebung von Verbindungen innerhalb eines lebenden Gehirns ein einzigartiges Fenster in die Neurobiologie der Kognition öffnet und Licht auf die Evolution des Gehirns sowie die Vielfalt der kognitiven Profile von Individuen und Arten wirft.
Disconnectome
Die Forschung hat gezeigt, dass Hirnpathologien diese Variabilität durch Verbindungsunterbrechungen erhöhen können. „Infolgedessen konzentriert sich die Vorhersage von Langzeitsymptomen nun auf Verbindungsunterbrechungen im Gehirn – und dies markiert einen Paradigmenwechsel, der die derzeitigen Gehirnmodelle infrage stellt und eine Neuzeichnung unserer Gehirnkarten erforderlich macht“, so Forkel. Das Team leistete Pionierarbeit mit einer neuen Methode der kognitiven Neurobildgebung, dem sogenannten „Disconnectome“. Dadurch wurden wichtige Verbindungen in der weißen Substanz für die Lesefähigkeit aufgedeckt und ein hochgradig prädiktiver Rahmen für Lesedefizite nach Hirnschädigungen geschaffen. „Diese Erkenntnisse haben das Potenzial, unser Verständnis des Gehirns neu zu gestalten und einen wichtigen Beitrag zur Neurowissenschaft und zur klinischen Praxis zu leisten“, sagt Forkel.
Schlüsselbegriffe
PERSONALISED, Gehirn, Gehirnhälften, Hemisphären, Schlaganfall, Genesung, Daten, Disconnectome, Läsionen, Verbindungen
