Das Magazin - Ausgabe 03 - Systembiologie

Abbildung 2c: Funktionelle Aktivierung beim Benennen von Bildern.
Dynamische Interaktionen steuern die Handbewegungen
Der Nutzen einer Modellierung neuronaler Systeme für das
Verständnis effektiver Konnektivität lässt sich sehr gut am
motorischen System demonstrieren. So ist bei Bewegung einer
Hand der primäre motorische Kortex (M1) auf der entgegengesetzten
Hirnseite aktiviert und sendet die Befehle zur Muskelkontraktion
an die entsprechenden motorischen Neurone
des Rückenmarks. Durch funktionelle Bildgebungsstudien
konnte gezeigt werden, dass weitere Regionen im motorischen
System die Ausführung von Bewegungen kontrollieren. So wirken
der prämotorische Kortex (PMC) und das supplementärmotorische
Areal (SMA), ebenfalls auf der entgegengesetzten
Seite, bei der Kontrolle bzw. Steuerung von Bewegungen mit.
Jedoch ist sehr wenig darüber bekannt, welche Interaktionen
zwischen diesen Regionen ablaufen und welche Rolle die Verbindungen
zwischen den beiden Gehirnhälften spielen. Gerade
diesem Zusammenwirken wird aber eine entscheidende Rolle
in den Reorganisationsprozessen nach einem Schlaganfall oder
einer peripheren Schädigung des Bewegungsapparates zugesprochen.
Systembiologische Untersuchungen mittels DCM
können entscheidend dazu beitragen, ein tieferes Verständnis
dieser Interaktionen zu erhalten. Zu diesem Zweck führten
wir Untersuchungen an gesunden Probanden und nachfolgend
auch verschiedenen Patientengruppen durch (Grefkes
et al. 2008; Eickhoff et al. 2008). Hierbei lagen die Probanden
im fMRT-Scanner und wurden über einen Bildschirm instruiert,
entweder nur die linke, nur die rechte oder beide Hände
gleichzeitig zu bewegen. Die hervorgerufene Gehirnaktivität
wurde während des Experiments kontinuierlich aufgenommen.
Hierbei fand man signifikant erhöhte Aktivität bei der aktiven
Bewegung in der jeweils der bewegten Hand gegenüber liegenden
Gehirnhälfte.
Modelliert man mittels DCM die Interaktionen im motorischen
System, so zeigt sich im wahrscheinlichsten Modell die hohe Bedeutung
der hemisphärischen Spezialisierung und der Interaktion
zwischen beiden Gehirnhälften (Abb. 3). Die intrinsische oder
endogene Konnektivität, zeigt ein höchst symmetrisches Bild
aus positiver Kopplung von Arealen einer Hemisphäre (M1, PMC,
SMA) und hemmenden interhemisphärischen Verbindungen
(z. B. M1-M1). Eine Zunahme der Aktivität auf einer Hemisphäre
bewirkt also eine Reduzierung des Aktivitätsniveaus der Gegenseite.
Wird nun entweder die rechte oder die linke Hand bewegt,
so kommt es zu einer signifikanten Zunahme der Konnektivität
zwischen allen Arealen der gegenüberliegenden Gehirnhälfte.
Im Gegensatz dazu werden alle Verbindungen in Richtung des
primären Motorkortex, der die momentan nicht bewegte Hand
kontrolliert, negativ moduliert. Das Gehirn konzentriert also gewissermaßen
seine Aufmerksamkeit auf die einseitige Bewegung.
Eine völlig andere Interaktion ergibt sich bei der gleichzeitigen
Bewegung beider Hände. Es kommt zu einer Umkehr der interhemisphärischen
Kopplungen, so dass nun eine positive Interaktion
zwischen den Gehirnhälften auftritt. Mit anderen Worten,
während beide Seiten des Gehirns normalerweise in einem gegenseitig
hemmenden Gleichgewicht sind, die sich bei Bedarf an
einseitiger Steuerung noch verstärkt, kommt es bei koordinierter
Bewegung beider Hände auch zur verstärkten Kooperation zwischen
den Gehirnhälften (Grefkes et al. 2008).
Diesen dynamischen Vorgängen im Gehirn müssen natürlich
strukturelle Organisationen als – je nach Bedarf – mehr oder
weniger genutzte Informationsbahnen zugrunde liegen. Im Gehirn
des Menschen waren diese Faserbahnen lange Zeit nur in
groben Umrissen bekannt. Neue bildgebende Methoden wie das
MRT-basierte Diffusions-Tensor-Imaging oder die hochauflösende
Bildgebung der Faserbahnen mit der Polarisationsmikroskopie
liefern gegenwärtig immer detailliertere Informationen
über die Grundlage dieser neuronaler Interaktionen.
Zusammen werden diese strukturellen und funktionellen Daten
und Modelle unserem Verständnis der Organisation des
gesunden und erkrankten Gehirns neue Perspektiven eröffnen,
die Diagnose und Therapie neurologischer und psychiatrischer
Erkrankungen auf einer wissensbasierten Grundlage ermöglichen.
Momentan konzentrieren sich die Arbeiten dabei auf
zwei entscheidende Fragestellungen: Wie können verschiedene
Aspekte der Konnektivität im Gehirn zu gemeinsamen Modellen
integriert werden und wie können krankhafte Prozesse von der
normalen Varianz oder den Veränderungen beim gesunden Altern
abgegrenzt werden.
www.systembiologie.de
Forschung Interaktionen zwischen Hirnarealen bestimmen, was wir tun
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