Mit Simulationssoftware die Geheimnisse des Gehirns erforschen
Das Gehirn ist ein hochgradig reguliertes Organ, dessen richtige Funktion auf das präzise Zusammenspiel von Neuronen, Gliazellen und der umgebenden Umwelt angewiesen ist. Eine kritische, aber oft übersehene Komponente dieser Umgebung ist der Extrazellularraum, das Netzwerk mikroskopisch kleiner, mit Flüssigkeit gefüllter Zwischenräume zwischen den Gehirnzellen. Dieser Raum ist am molekularen Transport, an der Zellkommunikation und an der Wirkstoffverabreichung beteiligt, wurde jedoch jahrelang nicht ausreichend erforscht. Zwei neuere Entdeckungen haben das Interesse an der Erforschung des Extrazellularraums erheblich gesteigert. Bei der ersten handelt es sich um die Identifizierung des glymphatischen Systems, eines Ausscheidungsweges, mit dem Stoffwechselabfälle einschließlich toxischer Proteine wie Amyloid-beta beseitigt werden, das mit der Alzheimer-Krankheit in Zusammenhang gebracht wird. Bei der zweiten geht es um die Rolle, die der Extrazellularraum bei epileptischen Anfällen und der Weiterleitung molekularer Signale spielt.
Simulationssoftware zur Untersuchung des Extrazellularraums
Den Transportprozess von Makromolekülen im Extrazellularraum zu verstehen, kann zur Erforschung neurodegenerativer Erkrankungen und neuropharmakologischer Prozesse beitragen, insbesondere zur Wirkstoffverabreichung im zentralen Nervensystem. Im Rahmen des Human Brain Project wurden enorme Fortschritte in den Neurowissenschaften verzeichnet, es befasst sich jedoch nicht speziell mit der Modellierung des extrazellulären Raums. Mit Unterstützung innerhalb der https://marie-sklodowska-curie-actions.ec.europa.eu/?etrans=de (Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen) verfolgte das Team des Projekts HESSP einen In-silico-Ansatz, um das Gebiet voranzubringen und zu modellieren, wie Substanzen durch den Extrazellularraum, insbesondere im Hippocampus, diffundieren. Diese Region wurde aufgrund ihrer gut definierten Struktur, ihrer Bedeutung für die Prüfung von Diffusionshypothesen und ihrer Beteiligung an der Alzheimer-Krankheit ausgewählt.
Rechnerische Herausforderungen meistern
„Die Bewegungen von Milliarden Molekülen zu simulieren, ist sehr rechenintensiv, sodass wir die begrenzten Speicherkapazitäten der vorhandenen Rechenressourcen überwinden mussten“, erklärt Marie-Skłodowska-Curie-Forschungsstipendiat Sergio Miguel Tomé. Um dieses Ziel zu erreichen, entwickelte das Team ein innovatives Recheninstrument, das optimal darauf ausgelegt ist, die Diffusion von Millionen Partikeln effizient zu simulieren. Mit dem sogenannten Hybrid Advanced Particles Simulator (HAPS) können die Forschenden Experimente durchführen, indem die Umgebungsgeometrie und die Anzahl der freigesetzten Partikel angepasst und Diffusionskoeffizienten zugewiesen werden, um den Extrazellularraum zu untersuchen.
Technische Aspekte des HAPS-Simulators
Der HAPS-Simulator wurde mit einer nutzungsfreundlichen grafischen Oberfläche ausgestattet, dank der er auch Forschenden und Lehrkräften ohne Programmierkenntnisse zugänglich ist. Er simuliert die Diffusion auf der Grundlage der Brownschen Bewegung und gestattet durch einen optimierten Algorithmus die Nachverfolgung von Partikelbewegungen in dreidimensionalen Umgebungen. Die Software berechnet die Position jedes Partikels zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten. Dabei wird ein zweistufiger Ansatz verfolgt, bei dem ein Rechenmodell für kleinmaßstäbliche Bewegungen und ein weiteres für weiträumige Diffusion zum Einsatz kommt. Diese Methode ermöglicht die Simulation einer großen Anzahl von Partikeln bei gleichzeitig hoher rechnerischer Effizienz. Infolgedessen werden mit dem HAPS-Simulator die Beschränkungen des Hardwarespeichers überwunden, die bisher die Erforschung des Extrazellularraums einschränkten.
Auswirkungen des HAPS-Simulators auf Forschung und Lehre
Es ist zu erwarten, dass die Software sowohl die akademische Ausbildung als auch die neurowissenschaftliche Forschung beeinflussen wird. Eine kostenlose HAPS-Version wird Hochschullehrkräften und Studierenden als Lehrmittel zur Verfügung gestellt, um das Verständnis und das Engagement in Disziplinen wie Neurowissenschaften, Pharmakologie und Computerbiologie zu verbessern. Aus der Sicht der Forschung wird der HAPS-Simulator die In-silico-Studien zum Thema Diffusion im Extrazellularraum voranbringen. Er könnte außerdem in der Erforschung der Wirkstoffverabreichung bei neurodegenerativen Erkrankungen eingesetzt werden. „Die Simulation von Diffusion an komplexen anatomischen Orten erfordert eine kontinuierliche Softwareentwicklung, um detailliertere Darstellungen neuronaler Strukturen und Mikroumgebungen zu integrieren“, betont Tomé. Zukünftige Bemühungen werden sich darauf konzentrieren, die Software zu optimieren und sie besser an die Erfordernisse der Zukunft anzupassen.
Schlüsselbegriffe
HESSP, HAPS, Gehirn, Extrazellularraum, Simulationssoftware, neurodegenerative Erkrankung, Brownsche Bewegung, Hippocampus