Epilepsie: eine neurophysikalische Sicht auf die Erkrankung

verfasst von: Andreas Hochlehnert (Softwareentwickler Forschung & Entwicklung apenio®)

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Das menschliche Gehirn ist ein wahnsinnig komplexes Organ, welches eine Vielzahl an Aufgaben mit einer unglaublichen Präzession ausführen kann. Es besteht aus 1012 Neuronen (eine Zahl mit 12 Nullen), welche durch 1014 Synapsen miteinander verbunden sind. Wie diese Komplexität vermuten lässt, kann die Information über alle diese Verbindungen nicht im menschlichen Genom gespeichert werden, da es dessen Speicherkapazität überschreiten würde. Aus diesem Grund muss es einen Mechanismus geben, mit dem das Gehirn selbst organisiert eine Netzwerkkonfiguration erreicht, in der es alle Aufgaben bewältigen kann.

Drei Zustände im Gehirn-Netzwerk

Physikalisch betrachtet sind Neurone unabhängige, ähnliche Einheiten, welche über das Aussenden von Aktionspotenzialen (APs) wechselwirken. Die Stärke dieser Wechselwirkung hängt von der Verbindungsstärke zwischen den Neuronen (Neurone können unterschiedlich stark miteinander gekoppelt sein), aber auch der Anzahl der ein- und ausgehenden Verbindungen ab. Man kann nun vereinfacht von drei Zuständen sprechen, in dem sich ein Netzwerk befinden kann:

Die Verbindungsstärke und -anzahl ist zu gering, sodass APs nur lokal weitergeleitet werden. In diesem Fall kann es passieren, dass eine Gruppe von Neuronen APs aussenden, die verbundenen Neurone jedoch nicht stark genug angeregt werden, um selbst weitere APs auszusenden. Die Aktivität stirbt also aus. Man nennt diesen Zustand unterkritisch.

Die Verbindungsstärke und -anzahl ist in solch einer Konfiguration, dass APs gezielt weitergeleitet werden können. In diesem Fall regt ein feuerndes Neuron im Schnitt ebenfalls wieder ein weiteres Neuron an und das AP kann durch das Netzwerk propagieren. Das Netzwerk befindet sich im sogenannten kritischen Zustand.

Die Verbindungsstärke und -anzahl ist zu hoch, sodass ein Neuron immer mehr Neurone anregt und die Zahl der APs kontinuierlich steigt. In diesem Fall kann es passieren, dass große Regionen innerhalb des Netzwerks sich immer wieder selbst anregen und die Neurone dauerhaft und unkontrolliert feuern. Dieser Zustand wird überkritisch genannt.

Der kritische Zustand ist normal

Derzeit wird vermutet, dass Teile des Gehirns, welche gerade Informationen verarbeiten sich im kritischen Zustand befinden, da dort die Informationsweiterleitung, aber auch andere Eigenschaften, optimiert sind. Des Weiteren vermutet man, dass das Gehirn einen Mechanismus besitzt, der dafür sorgt, dass die Netzwerke im Gehirn sich selbstständig zu diesem Zustand organisieren können (selbstorganisierte Kritikalität).

Es konnten jedoch Hinweise gefunden werden, dass während eines epileptischen Anfalls dieser grundlegender Mechanismus der Selbstorganisation nicht mehr funktioniert[1] und wahrscheinlich Teile des Gehirns in den überkritischen Zustand wechseln. Die dadurch entstehende Überreaktion der Neurone und die starke Aktivität machen einen geordneten Informationsfluss unmöglich, was durch die bekannten Symptome des Patienten während eines Anfalls sichtbar wird.

[1] Meisel, Christian, et al. "Failure of adaptive self-organized criticality during epileptic seizure attacks." PLoS Comput Biol 8.1 (2012): e1002312.

 

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Andreas Hochlehnert, Softwareentwicklung apenio® Forschung & Entwicklung und Autor dieses Artikels, steht Ihnen für Fragen oder Anregungen gern zur Verfügung unter Telefon +49 (0) 421 2 23 01-0 oder per E-Mail.

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