Der Blutfluss Kann Eine Schlüsselrolle Bei Der Neuronalen Verarbeitung Spielen
Der Blutfluss Kann Eine Schlüsselrolle Bei Der Neuronalen Verarbeitung Spielen

Video: Der Blutfluss Kann Eine Schlüsselrolle Bei Der Neuronalen Verarbeitung Spielen

Video: Lernprozesse mit neuronalen Netzen am Computer simulieren 2022, Dezember
Anonim

Ein M.I.T. Wissenschaftler glauben, dass der fMRT ein noch leistungsfähigeres Instrument zur Diagnose von Erkrankungen wie Alzheimer und Schizophrenie wäre, wenn der Blutfluss tatsächlich das neuronale Verhalten beeinflusst.

Blut, das durch das Gefäßnetz einer Gehirnregion rast, ist ein Zeichen dafür, dass Nervenzellen in diesem Gebietsschema in Aktion getreten sind. Das Blut strömt in aktive Bereiche, um feuernde Neuronen mit dem Sauerstoff und der Glukose zu versorgen, die sie für die Energieversorgung benötigen.

Es ist dieser Blutfluss, der bis zu einer Minute dauern kann, den Wissenschaftler in der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) verfolgen, um festzustellen, welche Gehirnbereiche auf verschiedene Reize reagieren. Eine neue Theorie könnte jedoch den Weg für eine Neuinterpretation von fMRI-Bildern ebnen, indem ihre Messungen eher auf die Bewertung der tatsächlichen neuronalen Verarbeitung als auf den nachfolgenden Blutfluss, der indirekt darauf hinweist, angehoben werden, und dadurch die Nützlichkeit des fMRI bei der Diagnose neurologischer Probleme verbessern.

Christopher Moore, Assistenzprofessor für Neurowissenschaften am McGovern Institute for Brain Research des Massachusetts Institute of Technology, erläuterte seine Hypothese in einem kürzlich im Journal of Neurophysiology veröffentlichten Artikel. Im Wesentlichen deutet dies darauf hin, dass die Rolle des Blutes im Kortex (einem wichtigen Gehirnverarbeitungszentrum) nicht nur darin besteht, Nährstoffe in die Zelle zu bringen, sondern auch die Aktivität lokaler neuronaler Schaltkreise verändern kann. Zum Beispiel hat Moore in Experimenten in seinem Labor gesehen, dass in einem Bereich, in dem Informationen von einem präsentierten Stimulus zu einem bestimmten Sinn (z. B. Berührung, visuell, akustisch) verarbeitet werden, vor dem Auftreten des Stimulus mehr Blut fließen kann. Dies bedeutet, dass der Fluss auch einen Kreislauf für die Aktivität vorbereiten kann.

Forscher schätzen, dass der Blutfluss in Bereichen des Gehirns um 40 Prozent zunimmt, wenn Neuronen zu feuern beginnen (oder elektronische Impulse aussenden), während die entsprechende Stoffwechselrate der Zellen nur um 4 Prozent zunimmt, was bedeutet, dass die Zelle nur ein Zehntel der benötigt Blut wird zugeführt, um wieder Energie zu tanken. "[Neurowissenschaftler] nennen diese Diskrepanz eine" Entkopplung "zwischen Fluss und Stoffwechsel", sagt Kenneth Kwong, Associate Professor für Radiologie an der Harvard Medical School und Forscher, zusammen mit Seiji Ogawa, dem allgemein die Entwicklung von fMRI zugeschrieben wird.

Moore glaubt, dass der Grund für die Diskrepanz darin liegen könnte, dass Blut nicht nur die Zellen nährt, sondern auch eng an der Informationsverarbeitung beteiligt ist.

Wenn dies zutrifft, sollte Blut in jedes Modell der neuronalen Verarbeitung einbezogen werden - wie Nervenzellen im Gehirn aktiviert werden, wie Impulse zwischen ihnen übertragen werden, wie lange die Aktivität anhält und wie sie beendet wird. Zusätzlich zur Änderung der tatsächlich gemessenen fMRT könnten solche Modelle möglicherweise neue Hinweise auf Ursachen für rätselhafte Erkrankungen wie Alzheimer, Multiple Sklerose und Schziophrenie liefern, die möglicherweise den Weg für Behandlungen ebnen, bei denen der Blutfluss korrigiert wird, und (oder nicht)) chemische Mängel.

"Historisch gesehen müssen sich fMRI-Forscher ein wenig entschuldigen, weil sie nicht [direkt] auf das Neuron schauen", sagt Moore. "fMRT würde aufhören, Bürger zweiter Klasse zu sein; stattdessen würde es fMRT zu einem viel interessanteren Werkzeug machen … eine Art Heisenberg-Sache [in Bezug darauf, wie die Beobachtung eines Quantenzustands ihn verändert], wo Sie suchen eigentlich ein Teil der Berechnung im Gange. " Darüber hinaus könnten Scans, die über mehrere Jahre durchgeführt wurden, dazu beitragen, die Neurodegeneration vorherzusagen, wenn das Gefäßsystem in einer bestimmten Gehirnregion zu schwächen beginnt. Vorläufige Daten legen bereits nahe, dass dies bei vielen neurologischen Erkrankungen wie Schizophrenie der Fall ist.

Die sogenannte hämoneurale Hypothese spielt sich in drei Gewebetypen ab: Neuronen, die Blutgefäße, die sie versorgen, und Astrozyten, die sternförmigen Nervenzellen, die Neuronen unterstützen und erhalten. (Astrozyten, deren Füße auf Blutgefäßen gespreizt sind, tragen auch dazu bei, die Endothelzellen zu erhalten, die die Gefäße auskleiden, und bilden die semipermeable Blut-Hirn-Schranke, die dafür verantwortlich ist, dass Chemikalien im Blut nicht in das Gehirn gelangen, sofern sie nicht benötigt werden für den Stoffwechsel oder eine andere Funktion.).

Laut Moore beeinflusst das Gefäßsystem somit direkt oder indirekt (über Astrozyten) Neuronen. Er stellt fest, dass Substanzen im Blut die Neuronenaktivität modulieren können. Der wahrscheinlichste Kandidat, sagt er, ist Stickoxid (NO), das leicht die Blut-Hirn-Schranke überschreitet und sowohl in Hirnschnitten als auch in Tiermodellen gezeigt wurde, dass es die neuronale Wirkung anregt (und in einigen Fällen dämpft). Blutgefäße beeinflussen Neuronen auch durch thermischen und mechanischen Stress. Eine erhöhte Durchblutung kann die lokale Temperatur in einer Gehirnregion verändern. Beispielsweise kann eine Abnahme von nur einem Grad Celsius unter bestimmten Umständen zu einer Unterdrückung der Feuerungsraten führen. In der Regel erhöhen Blutflussänderungen die Temperatur in den Bereichen des äußeren Gehirns, während sie die Temperatur in zentraleren Regionen senken. Druck und Volumen in den Blutgefäßen können die Menge verändern, in der die Gefäße die Membranen der Gehirnzellen physisch beeinflussen. Wenn Druck oder Volumen zunehmen würden, könnte sich ein Gefäß ausbeulen, Rezeptoren oder Ionenkanäle blockieren und dadurch die elektrische Aktivität eines Neurons verringern.

Eine Veränderung des Blutflusses könnte auch dazu führen, dass Astrozyten bestimmte Hormone oder Neurotransmitter freisetzen. "Wenn etwas im Blutgefäß vor sich geht", sagt Moore, "ist die Glia (Astrozyten und andere nichtneuronale Nervenzellen) in einer großartigen Position, um es zu spüren." Zum Beispiel könnten Astrozyten den exzitatorischen Neurotransmitter Glutamat absondern, der an Neuronen bindet und Ionenaustausch ermöglicht, der das Brennen von Zellen verursacht.

Vorläufige Daten aus Moores Labor, die ein Medikament beinhalten, das selektiv an Rezeptoren in Blutgefäßen bindet (und diese öffnen oder schließen kann), haben gezeigt, dass Neuronen mit zunehmendem Blutfluss aktiver werden können. Der M.I.T. Die Gruppe versucht nun, lichtaktivierte Ionenkanäle auf Muskelzellen zu entwickeln, die sie dann selektiv steuern können, um Veränderungen im Blutfluss zu induzieren.

Die Theorie "bringt etwas hervor, das viele Menschen ignoriert haben und denken, dass Blutgefäße Röhren sind", sagt Edith Hamel, Professorin für Neurologie an der McGill University in Montreal, die glaubt, dass sich Moores Theorie eines Tages als wahr erweisen wird. "Aber sie sind lebende Zellen … wie Neuronen." Sie vergleicht die Gefäßwechselwirkung innerhalb des Nervensystems mit der der Infrastruktur eines Autobahnsystems. "Wir haben immer auf die Autobahn geschaut, die aus der Stadt herausführt", sagt sie. "Wir müssen uns auch den ansehen, der in die Stadt kommt."

Rick Buxton, Radiologieprofessor an der University of California in San Diego, findet die Idee faszinierend, ist jedoch "skeptisch, dass der Blutfluss wirklich ein wichtiger Modulator ist". In seiner Interpretation ist der Blutrausch notwendig, um den Sauerstoffgehalt im Gewebe aufrechtzuerhalten, da Neuronen Sauerstoff langsamer als normal aufnehmen können, wenn Blut vorbeiströmt; Daher ist mehr erforderlich, um die Zellen richtig zu ernähren. Eine andere Möglichkeit, den übermäßigen Blutfluss zu erklären, besteht nach Ansicht einiger Forscher darin, dass er dazu beitragen kann, einen Teil der durch das neuronale Brennen erzeugten Wärme abzuleiten. "Wenn es dort [auch] ein geringes Maß an Neuromodulation gibt, ist das gut", fügt Buxton hinzu.

Moore merkt an, dass das Blut, wenn es für einen relativ geringen Grad an Neuromodulation verantwortlich ist, immer noch signifikant sein könnte. "Nehmen wir an, der Blutfluss macht 5 Prozent der Varianz der Aktivität in kortikalen Neuronen aus", vermutet er. "Fünf Prozent der Arbeit des Neurons - das ist riesig, wenn es darum geht, die Erregbarkeit in dieser Größenordnung zu verbessern."

Moores Theorie wird durch die Erforschung neurodegenerativer und psychischer Störungen gestützt. Constantino Iadecola, Professor für Neurologie und Neurowissenschaften am Weill Cornell Medical College in New York City, hat beispielsweise in seiner Arbeit zur Alzheimer-Krankheit eine Verbindung zwischen Blutgefäßen und Neuronen gefunden.

"Wir haben Beweise dafür geliefert, dass das Gefäßsystem das erste ist, was geht", sagt er und bemerkt, dass die Alzheimer-assoziierte Demenz zuvor in zwei Gruppen unterteilt wurde: vaskulär induziert (bei denen Neuronen aufgrund eines falschen Blutflusses sterben) und neurodegenerationsinduziert (mit Gefäßkollaps nach Nervenzelltod). "Was jetzt aus der Literatur hervorgeht, ist, dass die [Gefäßveränderungen] mindestens so früh oder früher als die neuronalen Veränderungen auftreten."

Eine abnormale Durchblutung wurde auch mit Epilepsie in Verbindung gebracht, die durch überaktive Neuronen verursacht wird. Und laut Moore wird eine verarmte Blutversorgung normalerweise in den Bereichen des Gehirns von Schizophreniepatienten festgestellt, die bei der Störung schief gehen.

Moore geht davon aus, dass sich die Forschung zur Behandlung von psychischen Störungen in Zukunft auf potenzielle Medikamente konzentrieren wird, die zur Aufrechterhaltung der ordnungsgemäßen neuronalen Funktion durch gezielte Gefäßbehandlung entwickelt wurden. "Es wäre vorteilhaft, den Blutfluss hoch und runter zu regulieren", sagt er, "genauso wie es vorteilhaft ist, [den Neurotransmitter] Dopamin bei Schizophrenen hoch oder runter zu regulieren."

Beliebt nach Thema