Forskere modellerer, hvordan giftige proteiner løber gennem hjernen, føre til sygdom

Mange neurodegenerative sygdomme spredes ved at kapre hjernens forbindelseskredsløb for at transportere giftige proteiner, som gradvist ophobes og udløser symptomer på demens. Nu, forskere ved Stevens Institute of Technology og kolleger har modelleret, hvordan disse giftige proteiner spredes gennem hjernen for at reproducere de afslørende mønstre af atrofi forbundet med Alzheimers sygdom, Parkinsons sygdom, og amyotrofisk lateral sklerose, eller ALS.

Arbejdet, offentliggøres i nummeret 12. oktober af Fysisk gennemgangsbreve , kunne åbne en ny grænse inden for computerhjernemodellering, da det fremhæver et første skridt mod at bygge bro mellem mikro- og makrotilgange – fra interaktionen af ​​individuelle molekyler til medicinsk billedanalyse af hele hjernen. Det kan også udvide den grundlæggende forståelse af disse sygdomme, som anslås at påvirke mere end 12 millioner amerikanere inden for de næste 30 år, hvis det ikke kontrolleres.

"Dette er et første forsøg på at bygge bro mellem celleniveauet og hele organniveauet, " siger hovedforfatter Johannes Weickenmeier, en professor i maskinteknik ved Stevens. "Nøglen er at koble biokemi til hjernens biomekanik for bedre at forstå dynamikken i disse sygdomme."

Som postdoc forsker, Weickenmeier var banebrydende for en teknik til at bygge en digital hjerne ved at bruge 3-D-modelleringssoftware til at arrangere mere end 400, 000 pyramideformede virtuelle blokke, rekonstruerer blok for blok den højt foldede og buede struktur. "Det er en kunstform, " siger Weickenmeier. "At rekonstruere alle de individuelle folder er ret svært."

Han overlejrede derefter sin model med data hentet fra diffusionstensor-billeddannelse, som afslører retningerne for signaler, der passerer gennem hjernen. Nogle hjernestrukturer bærer hovedsageligt signaler i bestemte retninger, så den digitale model fanger ikke kun hjernens anatomiske træk, men også måden, hvorpå elektrokemiske signaler strømmer gennem dem.

At modellere spredningen af ​​giftige proteiner gennem hjernen, Weickenmeier og hans team, herunder kollegerne Ellen Kuhl fra Stanford og Alain Goriely fra Oxford, brugte ligninger, der ligner dem, der beskriver, hvordan varme diffunderer gennem materialer.

De fandt ud af, at selvom forskellige neurodegenerative sygdomme ofte involverer meget forskellig biokemi - og producerer meget forskellige symptomer - kunne modellen gengive de afslørende mønstre af atrofi forbundet med Alzheimers sygdom, Parkinsons sygdom, og andre neurodegenerative sygdomme, blot ved at ændre de giftige proteiners udgangspunkt i hjernen.

"Disse mønstre af atrofi opstod i sagens natur fra vores system, " siger Weickenmeier.

Giftige proteiner "sås" forskellige steder for forskellige sygdomme, Weickenmeier forklarer, og deres spredning over hjernen - og derfor de symptomer, de producerer - er dikteret af de forbindelsesveje, der er tilgængelige for dem. Biokemi betyder stadig noget, men simuleringens effektivitet tyder på, at neuroanatomi og tilslutning også spiller en nøglerolle i at mediere progressionen af ​​neurodegenerative sygdomme.

Mere raffinerede simuleringer kunne en dag fremskynde diagnose ved at forudsige symptomer, eller hjælpe forskere med at udvikle nye behandlinger. Imidlertid, digital hjernemodellering er i sine tidlige stadier, dels fordi der er relativt få data at bedømme modellens forudsigelser ud fra. På samme tid, hjernebilleddannelsesteknikker, der kan visualisere disse sygdomme, udvikles aktivt af neuroimaging-samfundet.

"Når vi har dem, vi vil være i stand til at kalibrere vores modeller for at lave nøjagtige patientspecifikke forudsigelser i fremtiden, " siger Weickenmeier.

Modellens potentiale strækker sig også til andre sygdomme. Lignende mekanismer understøtter dissemineret sklerose, samt kronisk traumatisk encefalopati, eller CTE, en sygdom, der sandsynligvis påvirker mennesker, der udsættes for gentagne hovedpåvirkninger, fra cheerleaders til fodboldspillere.

"Disse medicinsk relevante sygdomme, Alzheimers sygdom og andre neurodegenerative sygdomme er motivationen for vores 'in silico'-modeller, " siger Weickenmeier. "De giver os mulighed for strategisk at køre forskellige simuleringer for at teste individuelle hypoteser om sygdomsprogression og se, hvilke nye tilgange der virker lovende."