Veel neurodegeneratieve ziekten verspreiden zich door de verbindingscircuits van de hersenen te kapen om giftige eiwitten te transporteren, die zich geleidelijk ophopen en symptomen van dementie veroorzaken. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het Stevens Institute of Technology en collega's hebben gemodelleerd hoe deze giftige eiwitten zich door de hersenen verspreiden om de veelbetekenende patronen van atrofie geassocieerd met de ziekte van Alzheimer te reproduceren, Ziekte van Parkinson, en amyotrofische laterale sclerose, of ALS.

Het werk, zal worden gepubliceerd in het nummer van 12 oktober van Fysieke beoordelingsbrieven , zou een nieuwe grens kunnen openen in het modelleren van computerhersenen, omdat het een eerste stap benadrukt in de richting van het overbruggen van micro- en macrobenaderingen - van de interactie van individuele moleculen tot medische beeldanalyse van de hele hersenen. Het kan ook het fundamentele begrip van deze ziekten vergroten, die naar schatting meer dan 12 miljoen Amerikanen zal treffen in de komende 30 jaar als er niets aan wordt gedaan.

"Dit is een eerste poging om schalen te overbruggen tussen het cellulaire niveau en het niveau van het hele orgaan, " zegt hoofdauteur Johannes Weickenmeier, een professor in de werktuigbouwkunde aan Stevens. "De sleutel is om biochemie te koppelen aan de biomechanica van de hersenen om de dynamiek van deze ziekten beter te begrijpen."

Als postdoctoraal onderzoeker, Weickenmeier pionierde met een techniek voor het bouwen van een digitaal brein door 3D-modelleringssoftware te gebruiken om meer dan 400, 000 piramidevormige virtuele blokken, het reconstrueren van blok voor blok de sterk gevouwen en gebogen structuur. "Het is een kunstvorm, ", zegt Weickenmeier. "Al die individuele plooien reconstrueren is best moeilijk."

Vervolgens bedekte hij zijn model met gegevens die waren verkregen uit diffusie tensor-beeldvorming, die de richtingen onthult van signalen die door de hersenen gaan. Sommige hersenstructuren dragen signalen voornamelijk in specifieke richtingen, dus het digitale model legt niet alleen de anatomische kenmerken van de hersenen vast, maar ook de manier waarop elektrochemische signalen er doorheen stromen.

Om de verspreiding van giftige eiwitten door de hersenen te modelleren, Weickenmeier en zijn team, waaronder collega's Ellen Kuhl uit Stanford en Alain Goriely uit Oxford, gebruikte vergelijkingen vergelijkbaar met die welke beschrijven hoe warmte door materialen diffundeert.

Ze ontdekten dat hoewel verschillende neurodegeneratieve ziekten vaak een zeer verschillende biochemie met zich meebrengen - en zeer verschillende symptomen produceren - het model de veelbetekenende patronen van atrofie geassocieerd met de ziekte van Alzheimer kon reproduceren. Ziekte van Parkinson, en andere neurodegeneratieve ziekten, simpelweg door de startpunten van de giftige eiwitten in de hersenen te veranderen.

"Deze patronen van atrofie kwamen inherent voort uit ons systeem, ' zegt Weickenmeier.

Giftige eiwitten worden op verschillende plaatsen "gezaaid" voor verschillende ziekten, Weickenmeier legt uit, en hun verspreiding over de hersenen - en dus de symptomen die ze produceren - wordt bepaald door de verbindingsroutes die voor hen beschikbaar zijn. Biochemie doet er nog steeds toe, maar de werkzaamheid van de simulatie suggereert dat neuroanatomie en connectiviteit ook een sleutelrol spelen bij het bemiddelen van de progressie van neurodegeneratieve ziekten.

Meer verfijnde simulaties zouden op een dag de diagnose kunnen versnellen door symptomen te voorspellen, of onderzoekers helpen bij het ontwikkelen van nieuwe behandelingen. Echter, digitale hersenmodellering staat nog in de kinderschoenen, deels omdat er relatief weinig gegevens zijn om de voorspellingen van het model te beoordelen. Tegelijkertijd, hersenbeeldvormingstechnieken die deze ziekten kunnen visualiseren, worden actief ontwikkeld door de neuroimaging-gemeenschap.

"Als we die eenmaal hebben, we in de toekomst onze modellen kunnen kalibreren om nauwkeurige patiëntspecifieke voorspellingen te doen, ', zegt Weickenmeier.

Het potentieel van het model strekt zich ook uit tot andere ziekten. Soortgelijke mechanismen liggen ten grondslag aan multiple sclerose, evenals chronische traumatische encefalopathie, of CTE, een ziekte die waarschijnlijk mensen treft die worden blootgesteld aan herhaalde botsingen met het hoofd, van cheerleaders tot voetballers.

"Deze medisch relevante ziekten, zoals de ziekte van Alzheimer en andere neurodegeneratieve ziekten zijn de motivatie voor onze 'in silico'-modellen, " zegt Weickenmeier. "Ze stellen ons in staat om strategisch verschillende simulaties uit te voeren om individuele hypothesen van ziekteprogressie te testen en te zien welke nieuwe benaderingen veelbelovend lijken."