Unser Gehirn verändert sich ständig. Mit jedem Lebensjahr arbeiten manche Hirnregionen anders zusammen als zuvor. Bei Menschen mit Autismus funktioniert die Kommunikation zwischen verschiedenen Gehirnbereichen von vornherein unterschiedlich. Doch welche Regionen sind besonders betroffen? Genau das können Forscher jetzt erstmals präzise benennen. Möglich macht es eine neue mathematische Methode aus Leipzig.
Forschende vom Max-Planck-Institut für Mathematik in den Naturwissenschaften in Leipzig haben gemeinsam mit Kollegen aus Indien ein Verfahren entwickelt, das wie ein hochauflösender Scanner für Gehirnverbindungen funktioniert. Die Methode identifiziert gezielt jene Hirnregionen, deren Vernetzung sich im Alter verändert oder bei Autismus-Spektrum-Störungen anders ausgeprägt ist.
Das Besondere an der Studie ist die Verbindung zweier Welten. "Wir haben eine Brücke zwischen reiner Mathematik und klinischer Neurowissenschaft geschaffen", sagen Professor Jürgen Jost und Professor Areejit Samal, die Hauptautoren der Studie. Die neue Messgröße mit dem Namen "Node Persistence" erkennt nicht nur Veränderungen, sondern zeigt genau, welche Gehirnregionen am stärksten betroffen sind.
Wie Mathematik Prozesse des Gehirns sichtbar macht
Die Wissenschaftler nutzten ein mathematisches Werkzeug namens Topologische Datenanalyse. Topologie beschäftigt sich mit der Form von Dingen. Sie untersucht, wie Elemente miteinander verbunden sind. Im Gehirn gibt es Hunderte von Regionen, die permanent miteinander kommunizieren. Diese Verbindungen bilden komplexe Netzwerke.
Die Leipziger Wissenschaftler analysierten Gehirndaten von über 1.000 Menschen. Sie beobachteten, wie stark verschiedene Hirnregionen zusammenarbeiten. Dabei entstehen Muster wie bei einem Straßennetz. Manche Verbindungen sind stark wie Autobahnen, andere schwach wie kleine Feldwege. Die Mathematik verfolgt, welche Strukturen besonders stabil sind und lange bestehen bleiben. Solche dauerhaften Merkmale sind biologisch besonders wichtig.
Das Team untersuchte das Gehirn auf drei Ebenen. Zuerst betrachteten sie das gesamte Netzwerk. Junge Erwachsene zeigen komplexere und länger anhaltende Strukturen als ältere Menschen. Bei Menschen mit Autismus fanden die Forscher andere Besonderheiten in der Gehirnorganisation.
108 Regionen altern anders, 27 sind bei Autismus verändert
Dann schauten die Wissenschaftler sieben wichtige Gehirnnetzwerke an. Diese steuern Bewegung, Aufmerksamkeit oder das Gedächtnis. Das Alter wirkt sich besonders auf Netzwerke für Bewegung, Aufmerksamkeit und Standardaktivität aus. Bei Autismus sind vor allem Netzwerke für Bewegung, Aufmerksamkeit und soziale Prozesse betroffen.
Auf der detailliertesten Ebene identifizierten die Forscher einzelne Gehirnregionen. 108 Regionen verändern sich mit dem Alter. 27 Regionen arbeiten bei Autismus anders. Viele davon sind für Bewegung, Sprache, Gedächtnis und soziale Fähigkeiten zuständig. Interessant ist, dass einige dieser Regionen auf nicht-invasive Hirnstimulation reagieren. Dabei werden Gehirnareale von außen durch magnetische oder elektrische Impulse stimuliert.
"Node Persistence erkennt nicht nur Veränderungen, sondern identifiziert die spezifischen Gehirnregionen, die in diesen Zuständen am stärksten verändert oder verwundbar sind", betonen Jost und Samal. Das eröffnet neue Möglichkeiten für gezielte Therapien. Die Methode könnte künftig auch bei anderen neurologischen Erkrankungen eingesetzt werden. Sie hilft zu verstehen, wo genau im Gehirn Behandlungen ansetzen sollten.
