Epilepsie-Chirurgie enthüllt Gehirns geheime Autobahnen: Die Rolle der neuralen Drehscheiben

Forschung des Teams der University of Iowa an Epilepsie-Patienten hat gezeigt, dass Gehirnzentren für die normale Gehirnverarbeitung, insbesondere für die Sprache, entscheidend sind. Das Gehirn zeigte eine schnelle adaptive Reaktion nach der Entfernung eines sprachbezogenen Zentrums, was die Bedeutung dieser Zentren unterstreicht und frühere Theorien in Frage stellt. Quelle: SciTechDaily.com

Seltener Versuch während einer Gehirnoperation hilft Forschern, neuronale Netzwerke besser zu verstehen.

Ein von der University of Iowa geleitetes Team internationaler Neurowissenschaftler hat die ersten direkten Aufzeichnungen des menschlichen Gehirns in den Minuten vor und nach der chirurgischen Trennung eines für die Sprachbedeutung entscheidenden Gehirnzentrums erhalten. Die Ergebnisse zeigen die Bedeutung von Gehirnzentren in neuronalen Netzwerken und die bemerkenswerte Art und Weise, wie das menschliche Gehirn versucht, zu kompensieren, wenn ein Zentrum verloren geht, mit einer zuvor nicht beobachteten Unmittelbarkeit.

Was passiert, wenn das Gehirn ein wichtiges Zentrum verliert? Welche sofortige Auswirkung hat dies auf das neuronale Netzwerk und wie kompensiert es dies?

Zentren sind überall. Das Zentrum eines Fahrradreifens, mit Speichen, die vom Mittelpunkt ausgehen, verhindert, dass das Rad zusammenbricht, wenn das Fahrrad gefahren wird. Flughafenzentren verbinden Städte auf der ganzen Welt. Und soziale Zentren wie Cafés oder Online-Netzwerke sind Orte, an denen Menschen sich treffen, um miteinander zu interagieren.

Auch das menschliche Gehirn hat Zentren - das Zusammentreffen vieler neuroner Verbindungen, die für komplexe Funktionen wie das Verständnis und die Reaktion auf Sprache erforderlich sind. Ob hochvernetzte Gehirnzentren für bestimmte Gehirnfunktionen unersetzbar sind, war umstritten. Nach einigen Berichten kann das Gehirn als bereits stark vernetztes neuronales Netzwerk im Prinzip sofort für den Verlust eines Zentrums kompensieren, ähnlich wie der Verkehr um ein blockiertes Stadtzentrum umgeleitet werden kann.

Quelle: University of Iowa Health Care

Mit einer seltenen experimentellen Gelegenheit haben die neurochirurgischen und Forschungsteams der UI unter der Leitung von Matthew Howard III, MD, Professor und DEO der Neurochirurgie, und Christopher Petkov, PhD, Professor und stellvertretender Leiter für Forschung in der Neurochirurgie einen Durchbruch im Verständnis der Notwendigkeit eines einzelnen Zentrums erreicht.

Indem sie Beweise für das liefern, was passiert, wenn ein für die Sprachbedeutung erforderliches Zentrum verloren geht, zeigten die Forscher sowohl die inhärente Bedeutung des Zentrums als auch die bemerkenswerte und schnelle Fähigkeit des Gehirns, sich anzupassen und zumindest teilweise den Verlust unmittelbar zu kompensieren. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Die Studie wurde während der chirurgischen Behandlung von zwei Epilepsie-Patienten durchgeführt. Beiden Patienten wurde eine Operation durchgeführt, bei der das vordere Schläfenlappen - ein Gehirnzentrum für die Sprachbedeutung - entfernt werden musste, um den Neurochirurgen den Zugang zu einer tieferen Hirnregion zu ermöglichen, die die schweren epileptischen Anfälle der Patienten verursacht. Vor solchen Operationen bitten Neurochirurgie-Teams die Patienten oft, Sprach- und Sprachaufgaben im Operationssaal durchzuführen, während das Team implantierte Elektroden verwendet, um die Aktivität in Teilen des Gehirns in der Nähe und entfernt von der geplanten Operationsstelle aufzuzeichnen. Diese Aufzeichnungen helfen dem klinischen Team dabei, die Anfälle effektiv zu behandeln, während sie die Auswirkungen der Operation auf die Sprachfähigkeiten des Patienten begrenzen.

Normalerweise werden die Ableitelektroden nach dem chirurgischen Eingriff nicht mehr benötigt und entfernt. Die Innovation dieser Studie lag darin, dass das Neurochirurgie-Team den Eingriff sicher mit den verbleibenden oder an gleicher Stelle wieder eingesetzten Ableitelektroden durchführen konnte. Dadurch war es möglich, seltene prä- und postoperative Aufzeichnungen zu erhalten, mit denen die Forscher Signale aus Gehirnbereichen fernab des Zentrums, einschließlich Sprach- und Sprachbereichen, die weit von der Operationsstelle entfernt waren, bewerten konnten. Die Analyse der Veränderung der Reaktionen auf Sprachgeräusche vor und nach dem Verlust des Zentrums zeigte eine schnelle Unterbrechung der Signalweiterleitung und anschließende teilweise Kompensation des breiteren Gehirnnetzwerks.

"Die schnelle Auswirkung auf die Sprach- und Sprachverarbeitungsregionen, die weit von der chirurgischen Behandlungsstelle entfernt liegen, war überraschend, aber was noch überraschender war, war die Art und Weise, wie das Gehirn arbeitete, um innerhalb dieses kurzen Zeitraums zu kompensieren, wenn auch unvollständig", sagt Petkov, der auch an der Newcastle University Medical School in Großbritannien tätig ist.

Die Ergebnisse widerlegen Theorien, die die Notwendigkeit bestimmter Gehirnzentren in Frage gestellt haben, indem sie zeigen, dass das Zentrum wichtig ist, um die normale Gehirnverarbeitung in der Sprache aufrechtzuerhalten.

"Neurochirurgische Behandlung und neue Technologien verbessern weiterhin die Behandlungsmöglichkeiten für Patienten", sagt Howard, der auch Mitglied des Iowa Neuroscience Institute ist. "Forschung wie diese unterstreicht die Bedeutung der sicheren Gewinnung und Vergleichung von elektrischen Aufzeichnungen vor und nach einer Operation, insbesondere wenn ein Gehirnzentrum betroffen sein könnte."

According to the researchers, the observation on the nature of the immediate impact on a neural network and its rapid attempt to compensate provides evidence in support of a brain theory proposed by Professor Karl Friston at University College London, which posits that any self-organizing system at equilibrium works towards orderliness by minimizing its free energy, a resistance of the universal tendency towards disorder. These neurobiological results following human brain hub disconnection were consistent with several predictions of this and related neurobiological theories, showing how the brain works to try to regain order after the loss of one of its hubs.

Reference: “Immediate neural impact and incomplete compensation after semantic hub disconnection” by Zsuzsanna Kocsis, Rick L. Jenison, Peter N. Taylor, Ryan M. Calmus, Bob McMurray, Ariane E. Rhone, McCall E. Sarrett, Carolina Deifelt Streese, Yukiko Kikuchi, Phillip E. Gander, Joel I. Berger, Christopher K. Kovach, Inyong Choi, Jeremy D. Greenlee, Hiroto Kawasaki, Thomas E. Cope, Timothy D. Griffiths, Matthew A. Howard III and Christopher I. Petkov, 7 October 2023, Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-023-42088-7

In addition to Petkov and Howard, the research team included researchers in the UI Departments of Neurosurgery, Radiology, and Psychological and Brain Sciences, as well as colleagues from Newcastle University, UCL, and University of Cambridge in the UK, and from Carnegie Mellon University, University of Wisconsin-Madison, and Gonzaga University in the United States.

The research was funded in part by grants from National Institutes of Health, the Wellcome Trust. and the European Research Council.