Dezember06

In diesem Artikel erklärt einer der führenden Forscher die Ergebnisse zweier Studien zur Verminderung der grauen Gehirnsubstanz bei CFS.

Im vergangenen Jahr wurden zwei Studien aus unabhängig voneinander arbeitenden Forschungseinrichtungen in Japan und den Niederlanden veröffentlicht, die beide ähnliche Verfahren einsetzten und vergleichbare Ergebnisse über die Gehirnstruktur von CFS-Patienten berichteten. Mit Hilfe von hochauflösender Magnetresonanztomographie (MRT) stellte man in beiden Studien fest, dass CFS-Patienten ein geringeres Volumen an grauer Hirnsubstanz hatten als gesunde Kontrollpersonen. Darüber hinaus konnte man diese Verminderung der grauen Substanz zu den Charakteristika und Symptomen des CFS zuordnen.

Diese Ergebnisse trafen sowohl bei den CFS-Forschern als auch bei den CFS-Patienten auf großes Interesse, da sie weitere objektive Belege für körperliche Veränderungen bei dieser Erkrankung liefern.

Aber worum handelt es sich bei der grauen Gehirnsubstanz eigentlich? Und welche Bedeutung haben diese neuen Forschungsergebnisse?

Die Anatomie des Gehirns

Wenn man das Gehirn mit bloßem Auge betrachtet, dann kann man, grob gesagt, drei Bestandteile unterscheiden: Die graue Gehirnsubstanz, die weiße Gehirnsubstanz und die Hirn-Rückenmarks-Flüssigkeit. Abbildung 1 zeigt einen horizontalen Schnitt durch das Gehirn und seine graue Substanz.

Die graue Substanz besteht hauptsächlich aus Neuronen und Dendriten (den Zytoplasmafortsätzen der Nervenzellen). Dies kann man sich als die Recheneinheiten oder als den „Computer“ des Gehirns vorstellen. Hier findet der Großteil der gedanklichen Verarbeitung statt. Jeder dieser Computereinheiten ist über die weiße Gehirnsubstanz vernetzt, die eine schnelle Übertragung der elektrischen Signale ermöglicht. Die Hirn-Rückenmarks-Flüssigkeit dient der Abfallbeseitigung und der Abfederung des Gehirns.

Magnetresonanztomographie

Mit dem Aufkommen der Magnetresonanztomographie (MRT) ist es möglich geworden, auf nicht-invasive Weise detaillierte Bilder des lebenden Gehirns zu erhalten. Über zwei Jahrzehnte hinweg hat man die MRT-Technologie in der klinischen Praxis allgemein eingesetzt, um eine Vielzahl an neurogenerativen Erkrankungen zu diagnostizieren.

Bis vor kurzem jedoch war man sich nicht einig darüber, ob es im Gehirn von CFS-Patienten tatsächlich Anomalien gibt. Einige Forscher hatten Hinweise auf zerebrale Anomalien gefunden. So hatten beispielsweise mehrere Studien, die in den 1990er Jahren durchgeführt wurden, Anomalien in der weißen Substanz gefunden, die sich in den MRT-Bildern als kleine signalintensive Areale darstellten. Andere Forscher wieder konnten diese Ergebnisse nicht eindeutig bestätigen. Wie kann es zu solchen Widersprüchen kommen? Ein Teil der Antwort ist zu finden in der Art und Weise, in der MRT-Bilder in der klinischen Praxis ausgewertet werden.

Bei der normalen Analyse von MRT-Bildern werden diese qualitativ bewertet. Das heißt: jemand - üblicherweise ein Neurologe - betrachtet die Bilder und gibt mögliche Anomalien an. Obwohl diese Methode im Fall von relativ großen Anomalien wie etwa Tumoren normalerweise gut funktioniert, ist es mit dieser Technik unmöglich, subtilere und unschärfere Anomalien zu entdecken. In neueren Studien hat man versucht, dieses Problem zu lösen, indem man Techniken einsetzt, mit denen man sogar kleine und unscharfe Anomalien aufspüren kann. Eine dieser Techniken bezeichnet man als Voxel-basierte Morphometrie (VBM) oder voxelbasierte morphometrische Analyse (Ashburner und Friston 2000).

Voxel-basierte Morphometrie

Die Voxel-basierte Morphometrie ist ein Forschungsinstrument, mit dem man die Anatomie des Gehirns unterschiedlicher Personengruppen oder der gleichen Person zu unterschiedlichen Zeitpunkten vergleichen kann.

Zunächst werden hochauflösende Bilder der Anatomie des Gehirns von einer Patientengruppe und einer vergleichbaren Kontrollgruppe gesunder Personen erhoben, die im Hinblick auf Alter, Geschlecht und Bildung vergleichbar sind. Jedes Bild wird nun in kleine Würfel aufgeteilt, die man als Voxel bezeichnet. Die Größe eines jeden Voxels beträgt üblicherweise einen Millimeter. Entsprechend kann man das Gehirn in 2,5 Millionen Voxel unterteilen.

Dann wird das Abbild des Gehirns mit einer komplexen Methode zur Bildsegmentierung in Bilder von der grauen Substanz, der weißen Substanz und der Hirn-Rückenmarks-Flüssigkeit aufgeteilt. Dann legt man die jeweiligen Abbilder der grauen Substanz der untersuchten Personen übereinander, so dass man sie miteinander vergleichen kann. Ein Vergleich des durchschnittlichen Volumens der grauen Gehirnsubstanz der beiden Gruppen wird für jedes der Millionen von Voxeln durchgeführt. Dadurch wird es möglich, Unterschiede der grauen Substanz zwischen den Gruppen auf automatisierte und objektive Weise zu identifizieren.

Die VBM ist ein interessantes und aufschlussreiches Instrument zur Erforschung des CFS, weil es die typischen Merkmale der Erkrankung im Hinblick auf Anomalien des Gehirns aufdecken kann, die erklären könnten, was im Gehirn von CFS-Patienten vor sich geht.

Verminderung der grauen Gehirnsubstanz bei CFS

Was haben die beiden Forschergruppen, die die VBM zur Untersuchung der Unterschiede in der grauen und weißen Gehirnsubstanz bei CFS nun herausgefunden? Die japanischen Forscher (Okada et al.) haben bei CFS-Patienten eine Verminderung der grauen Substanz im präfrontalen Kortex (der vorderste Stirnlappen der Gehirnrinde) beobachtet. Die 16 Personen mit CFS zeigten eine durchschnittliche Verminderung des Volumens von 11,8 Prozent, verglichen mit den 49 gesunden Kontrollpersonen. Darüber hinaus fanden die Forscher einen Zusammenhang zwischen dem Grad der vom Patienten erlebten Erschöpfung und dem Ausmaß der Verminderung der grauen Substanz im präfrontalen Kortex. Patienten, die stärker erschöpft waren, hatten auch weniger graue Substanz.

Abbildung 1: Von diesen beiden Bildern des menschlichen Gehirns zeigt das linke ein Schnittbild des gesamten Gehirns und das rechte ein extrahiertes Bild, das nur die graue Substanz zeigt.

Auch mein Forscherteam in den Niederlanden hat bei einer Gruppe von 13 CFS-Patienten eine Verminderung der grauen Substanz beobachtet. Wir waren in der Lage, die Ergebnisse der ersten Studie in einer zweiten Studie mit einer ähnlich großen Gruppe von Patienten mit CFS zu reproduzieren. In beiden Studien lag die durchschnittliche Verminderung bei den CFS-Patienten bei etwa 8 Prozent. Obwohl wir keine Korrelation zwischen dem Grad der Erschöpfung und der Verminderung der grauen Substanz feststellen konnten, fanden wir jedoch eine Korrelation zwischen dem Ausmaß von täglicher körperlicher Aktivität und dem Volumen der grauen Substanz. Patienten, die aktiver waren, hatten mehr graue Substanz. Wir haben das Ausmaß an körperlicher Aktivität mit Hilfe eines Messgeräts, das Bewegungen aufzeichnet, objektiv gemessen.

Insgesamt scheinen diese Studien zu zeigen, dass es bei CFS tatsächlich Anomalien des Gehirns gibt und dass diese möglicherweise mit der Erschöpfung und/oder dem Aktivitätsniveau im Zusammenhang stehen. Aber was bedeuten diese Anomalien für den Patienten?

Einmal weg – für immer verloren?

Alle Studien, mit denen man die Struktur des Gehirns von lebenden Menschen (sogenannte in-vivo-Studien) untersucht, können das Gehirn nur makroskopisch erfassen. Die Auflösung wird im besten Fall in Zehntel Millimetern angegeben – also einem relativ großen Maßstab, wenn man bedenkt, dass Gehirnzellen nur einen mikroskopischen Bruchteil dieser Größe haben. Bei dieser Art der groben Abbildung und Beschreibung des Gehirns werden viele unterschiedliche Zellstrukturen sozusagen in einen Topf geworfen: die Neuronen (die Nervenzellen) und ihre Helferzellen, die Gliazellen, sowie die lokalen Verbindungen zwischen den Neuronen (die Dendriten) und die Zellkörper der Neuronen. Das macht es schwierig zu bestimmen, was tatsächlich geschieht, wenn eine Verminderung der grauen Substanz aufgetreten ist.

Früher dachte man, dass eine Verminderung der grauen Substanz auf einen Verlust an Neuronen schließen ließe. Diese Annahme führte auch zu der Überzeugung, dass wir im Verlauf unseres Lebens vieler unserer Neuronen verlustig gehen. Die modernen Techniken zur Bestimmung der Anzahl der Neuronen lassen jedoch den Schluss zu, dass wir vielleicht gar nicht so viele Nervenzellen verlieren.

VERGLEICH VERSUS DIAGNOSE

Obwohl die Voxel-basierte Morphometrie (VBM) ein Licht auf die allgemeinen, charakteristischen Unterschiede im Gehirn von CFS-Patienten wirft, ist sie ungeeignet, um im individuellen Fall eine Diagnose zu stellen.

Um dies zu erläutern, stelle man sich vor, wir würden gerne wissen, ob CFS-Patienten größer sind als gesunde Kontrollpersonen. Nehmen wir an, wir würden die Größe eines CFS-Patienten mit 1,83 m messen und die einer gesunden Kontrollperson mit 1,77 m. Ohne Zweifel ist dieser eine CFS-Patient größer als die Kontrollperson. Aber ist das nun charakteristisch für CFS oder spiegelt die gemessene Differenz nur die Variabilität der Größe wider, die es in der allgemeinen Bevölkerung nun einmal gibt?

Um diese Frage zu beantworten, müssten wir die Größe einer ganzen Gruppe von CFS-Patienten messen und ebenso die einer Gruppe von gesunden Kontrollpersonen. Dann könnten wir einen statistischen Vergleich anstellen und bestimmen, ob die durchschnittliche Größe von CFS-Patienten deutlich höher liegt als die der gesunden Kontrollpersonen. Dabei würden wir in beiden Gruppen jeweils die Variabilität der Größe berücksichtigen.

Wenn sich nun herausstellen würde, dass die CFS-Patienten im Durchschnitt tatsächlich größer sind als die gesunden Kontrollpersonen, dann wäre das ein interessantes Ergebnis, das uns erlauben würde, mit der Untersuchung der Ursachen für diesen Unterschied zu beginnen. Aber es würde uns nicht erlauben zu sagen, dass eine groß gewachsene Person deshalb automatisch CFS hat. Tatsächlich würde es nicht einmal bedeuten, dass alle CFS-Patienten größer sind als alle gesunden Kontrollpersonen.

Genauso liefert uns die VBM interessante und aufschlussreiche Ergebnisse über die allgemeinen Charakteristika der grauen Gehirnsubstanz bei CFS-Patienten.

Vielmehr scheinen unsere Neuronen mit zunehmendem Alter zu schrumpfen. Eine Verminderung der grauen Gehirnsubstanz bedeutet also nicht automatisch, dass Zellen abgestorben sind, sondern kann auch heißen, dass die Neuronen lediglich kleiner geworden sind. Das kann für CFS-Patienten eine gute Nachricht sein, denn sie bedeutet, dass eine Verminderung der grauen Substanz möglicherweise umkehrbar ist. Tatsächlich hat man bei gesunden Studienteilnehmern als Folge von Training und dem Erlernen einer neuen Aktivität eine Zunahme der grauen Substanz festgestellt (Draganski et al., 2004). Insofern ist es also möglich, dass die Verminderung der grauen Substanz bei CFS-Patienten die Folge der Erschöpfung oder Inaktivität ist und dass eine gesundheitliche Verbesserung zu einer Zunahme der grauen Substanz führen könnte (siehe Kasten).

Im Verlauf der letzten 10 Jahre haben sich immer mehr Belege dafür angesammelt, dass CFS mit Anomalien im Gehirn einhergeht. Aber was diese Anomalien bedeuten, weiß man noch immer nicht genau. Sind sie die Ursache oder eine Folge des CFS? Sind sie dauerhaft oder reversibel? Das sind Fragen, die wir hoffen, in den kommenden Jahren anpacken zu können. Ganz unabhängig davon, wie die Antworten ausfallen werden – es ist ganz offensichtlich, dass die Anomalien mit dem CFS im Zusammenhang stehen und dass sie real sind. Sie sind ebenso real, wie es nun offensichtlich sein sollte, dass die Beschwerden der CFS-Patienten eine reale Grundlage haben.

IST ES MÖGLICH; DIE VERMINDERUNG DER GRAUEN GEHIRNSUBSTANZ WIEDER UMZUKEHREN?

Die Verminderung im Verlauf der Zeit ist nicht die einzige Möglichkeit der Entwicklung der grauen Substanz.

Der Begriff der Neuroplastizität bezieht sich auf die Fähigkeit des Gehirns, sich von selbst zu reorganisieren, indem neue neuronale Verbindungen gebildet werden, die es den Gehirnzellen ermöglichen, ihre Aktivität in Reaktion auf neue Gegebenheiten anzupassen. Manchmal wird dabei sogar die Struktur des Gehirns verändert. Tatsächlich hat die Wissenschaft von der Neuroplastizität eine Reihe von Umständen aufgedeckt, in denen sich die graue Gehirnsubstanz vermehrt hat oder in denen die kognitive Verarbeitung in andere Teile des Gehirns verlagert wurde.

So wird beispielsweise in kürzlich erschienenen Studien eine Zunahme der grauen Substanz durch das Erlernen ganz unterschiedlicher neuer Fähigkeiten wie Jonglieren oder Fremdsprachen dokumentiert. Der Erwerb neuer und zu Beginn abstrakter Information steht möglicherweise im Zusammenhang mit der Veränderung der grauen Substanz und unterstützt die Annahme, dass das Erlernen neuer Fertigkeiten und das Trainieren des Gehirns positive Auswirkungen haben kann. Man muss sich gar nicht in einer Schule anmelden, um diese Theorie zu überprüfen. Bestimmte Sprachspiele wie Scrabble, Boggle und Perquacky, bei denen sowohl die Sprache als auch das räumliche Vorstellungsvermögen trainiert werden, können ebenfalls von Nutzen sein.

Andere Forschungsarbeiten belegen eine Zunahme der grauen Substanz durch regelmäßige Meditation. Nicht nur buddhistische Mönche zeigen eine außerordentliche Steigerung der höheren Gehirnfunktionen während der Meditation. Man hat über bildgebende Verfahren zeigen können, dass sich die graue Masse auch bei Arbeitern verdichtet, die jeden Tag durchschnittlich 40 Minuten meditieren. Es wird vermutet, dass der wesentliche Faktor, der durch die Meditation trainiert wird, tatsächlich die rechte Gehirnhälfte stärkt, die man mit der Aufrechterhaltung von Aufmerksamkeit in Verbindung bringt.

Spezifisch für CFS, so lässt die Forschung vermuten, könnte es sein, dass manche mit der Erkrankung wechselnde neuronale Pfade für die Informationsverarbeitung einsetzen - verglichen mit Menschen ohne CFS. In der Tat könnte es bei einigen CFS-Patienten zu einer „Neuverschaltung” der Verarbeitungsprozesse kommen - ein weiterer Beweis für die Plastizität des Gehirns.

Es ist wichtig zu wissen, dass sogar das erwachsene Gehirn nicht „fest verschaltet“ ist, mit festgelegten und unveränderlichen Schaltkreisen. Es gibt keine festgelegte Zeitspanne, nach der die Plastizität des Gehirns verloren wäre. Es gibt jetzt sogar Belege dafür, dass die Neurogenese – die Bildung neuer Nervenzellen – auch im erwachsenen Gehirn möglich ist. Wir kennen einfach noch nicht alle Umstände und Bedingungen, die die Plastizität des Gehirns steigern und das Volumen und die Funktionalität der grauen Gehirnmasse erhöhen.

Floris de Lange arbeitet am Zentrum für bildgebende Untersuchungsverfahren des Gehirns in F.C. Donders in den Niederlanden.

Er ist Hauptautor einer in den Niederlanden durchgeführten Studie, in der man mit bildgebenden Untersuchungsverfahren das Gehirn von CFS-Patienten untersucht hat. Die Studie wurde unter dem Titel “Gray matter volume reduction in the chronic fatigue syndrome.” veröffentlicht. Floris de Lange schreibt seine Doktorarbeit am F.C. Donders Centre for Cognitive Neuroimaging.

Ashburner J, Friston KJ. Voxel-based morphometry: the methods. Neuroimage 2000; 11:805-821.

de Lange FP, Kalkman JS, Bleijenberg G, Hagoort P, van der Meer JW, Toni I. Gray matter volume reduction in the chronic fatigue syndrome. Neuroimage 2005; 26:777-781.

Draganski B, Gaser C, Busch V, Schuierer G, Bogdahn U, May A. Neuroplasticity: changes in grey matter induced by training. Nature 2004; 427:311-312.

Okada T, Tanaka M, Kuratsune H, Watanabe Y, Sadato N. Mechanisms underlying fatigue: a voxel-based morphometric study of chronic fatigue syndrome. BMC Neurol 2004; 4:14.

Zum Zustand des Gehirns bei CFS

In Kürze:

Die Anatomie des Gehirns

Magnetresonanztomographie

Voxel-basierte Morphometrie

Verminderung der grauen Gehirnsubstanz bei CFS

Einmal weg – für immer verloren?

VERGLEICH VERSUS DIAGNOSE

IST ES MÖGLICH; DIE VERMINDERUNG DER GRAUEN GEHIRNSUBSTANZ WIEDER UMZUKEHREN?