Die Erforschung des alternden Gehirns hat in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht, insbesondere durch den Einsatz moderner Bildgebungstechnologien wie der Magnetresonanztomographie (MRT) und fortschrittlicher KI-Technologien. Diese Fortschritte ermöglichen es, das biologische Alter des Gehirns genauer zu bestimmen und Einblicke in die Faktoren zu gewinnen, die den Alterungsprozess beeinflussen. Dieser Artikel beleuchtet aktuelle Forschungsergebnisse und innovative Diagnoseansätze im Bereich der MRT-basierten Gehirnalterung.
Künstliche Intelligenz und die Entschlüsselung des Gehirnalters
Neueste KI-Technologien, insbesondere künstliche neuronale Netzwerke, ermöglichen es, das biologische Alter eines Menschen anhand von Hirnbildern genau zu bestimmen. Einem Forschungsteam des Max-Planck-Instituts für Kognitions- und Neurowissenschaften ist es gelungen, einen Algorithmus zu entwickeln, der aufzeigt, dass die Altersschätzung auf einer Vielzahl von Merkmalen im Gehirn beruht und somit generelle Informationen über den Gesundheitszustand eines Menschen liefert.
Tiefe neuronale Netzwerke, inspiriert von der Funktionsweise echter Neuronen, können Sprache verstehen, Texte interpretieren sowie Objekte und Menschen in Bildern erkennen. Sie können auch das Alter einer Person anhand eines MRT-Scans ihres Gehirns bestimmen. Die maschinelle Altersbestimmung ermöglicht es, eine Vorstellung davon zu bekommen, wie ein gesundes Gehirn in verschiedenen Lebensphasen im Normalfall aussieht. Wenn das Netzwerk das biologische Alter des Gehirns höher einschätzt als das tatsächliche Alter, kann dies auf mögliche Erkrankungen oder Verletzungen hinweisen.
Das "Black Box Problem" und ein neuer Interpretationsalgorithmus
Obwohl künstliche neuronale Netzwerke das biologische Alter präzise bestimmen können, war bisher unklar, welche Informationen aus den Gehirnbildern ihre Algorithmen dafür nutzen. Wissenschaftler aus der KI-Forschung sprechen hier auch vom „Black Box Problem“.
Um dieser Frage nachzugehen, entwickelten Forschende des Max-Planck-Instituts für Kognitions- und Neurowissenschaften in Leipzig gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik in Berlin einen neuen Interpretationsalgorithmus, mit dem sich die Altersschätzungen der Netzwerke analysieren lassen. Dieser Algorithmus ermöglicht es, genau zu bestimmen, welche Regionen und Merkmale des Gehirns für ein höheres oder niedrigeres biologisches Alter sprechen.
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Erkenntnisse über die Merkmale des alternden Gehirns
Die Analyse ergab, dass künstliche neuronale Netzwerke unter anderem die weiße Substanz nutzen, um Vorhersagen zu treffen. Sie achten insbesondere darauf, wie viele kleine Risse und Vernarbungen sich durch das Nervengewebe im Gehirn ziehen. Zudem analysieren sie, wie breit die Furchen in der Großhirnrinde, dem Cortex, sind oder wie groß die Hohlräume, die sogenannten Ventrikel. Diese Ergebnisse stimmen mit früheren Studien überein, die gezeigt haben, dass sich mit zunehmendem Alter die Furchen und Ventrikel im Gehirn vergrößern.
Interessanterweise kamen die künstlichen neuronalen Netzwerke selbstständig zu diesen Ergebnissen, ohne dass man ihnen diese Information gegeben hatte. Während ihrer Trainingsphase standen ihnen lediglich die Hirnscans und die wahren Lebensjahre der Person zur Verfügung.
Die Bedeutung der Abweichungen zwischen biologischem und chronologischem Alter
Eine erhöhte Altersschätzung durch die KI-Modelle kann auch als Fehler interpretiert werden. Die Analyse bestätigte jedoch, dass diese Abweichungen biologisch bedeutsam sind. So ergab die Analyse beispielsweise, dass Menschen mit Diabetes ein erhöhtes Hirnalter haben und mehr Läsionen in der weißen Substanz aufweisen.
Die zukünftige Rolle der KI in der medizinischen Diagnose
Künstliche neuronale Netzwerke werden eine zunehmend wichtigere Rolle bei der medizinischen Diagnose einnehmen. Zu wissen, woran sich diese Algorithmen orientieren, wird damit immer wichtiger. In Zukunft könnte ein Hirnscan von verschiedenen Netzwerken automatisch analysiert werden, die sich jeweils auf bestimmte Bereiche spezialisiert haben - eines zieht Rückschlüsse auf Alzheimer-Erkrankungen, das andere auf Tumore, und wieder ein anderes auf mögliche psychische Störungen.
Die Medizinerin erhält dann nicht nur Rückmeldungen, dass womöglich bestimmte Erkrankungen vorliegen, sondern sieht auch, welche Bereiche im Gehirn den Diagnosen zugrunde liegen. Die entsprechenden Merkmale werden durch die Algorithmen jeweils direkt im MRT-Bild markiert und können so leichter von Ärztinnen und Ärzten entdeckt werden. Zudem ließen sich Fehldiagnosen leichter entdecken, wenn die Analyse auf biologisch unplausiblen Bereichen basiert.
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Geschlechtsspezifische Unterschiede in der Gehirnalterung
Forschende des Deutschen Zentrums für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) haben im Rahmen der Bonner Rheinland Studie Unterschiede in der Gehirnalterung zwischen Männern und Frauen festgestellt. Nach der Menopause ist bei Frauen das Ausmaß bestimmter Hirnschäden größer als bei gleichaltrigen Männern.
Die untersuchten Gewebeschäden, sogenannte "White Matter Hyperintensities" (WMH), gelten als mögliche Risikofaktoren für Demenz und Schlaganfall. Diese Anomalien in der weißen Hirnsubstanz nehmen mit dem Alter zu, wobei die Untersuchungen nun Unterschiede zwischen Männern und Frauen zeigen. Bei Frauen vor der Menopause fanden die Forschenden keine signifikanten Unterschiede zu gleichaltrigen Männern. Die Sachlage ändert sich jedoch nach der Menopause.
Die Rolle von Östrogen und weiteren Faktoren
Die Ursachen für diese Unterschiede zwischen den Geschlechtern sind unklar. Es wird spekuliert, dass das Hormon Östrogen eine schützende Wirkung haben könnte, die im Alter verloren geht, weil der weibliche Organismus dessen Produktion mit den Wechseljahren nach und nach einstellt. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Rheinland Studie konnten in ihren Daten allerdings keinen Einfluss einer Therapie feststellen, die den Hormonmangel ausgleicht.
Es ist unklar, ob die hormonelle Umstellung im Zuge der Menopause ein entscheidender Faktor ist oder ob Faktoren, die mit dem Einsetzen der Menopause zusammenhängen, eine Rolle spielen.
Individuelle Einflüsse auf die Gehirnalterung
Die Alterung des Gehirns ist ein individueller Prozess, der von verschiedenen Faktoren beeinflusst wird, darunter der Lebensstil, die Sinneserfahrungen und die kognitiven Herausforderungen, denen wir uns im Alltag stellen.
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Eine Studie der Universität Tübingen untersuchte den sensorischen Kortex bei gesunden jüngeren und älteren Erwachsenen, um das Altern des Gehirns besser zu verstehen. Die Ergebnisse zeigten, dass bestimmte Teile des Gehirns bei normalen älteren Erwachsenen mit zunehmendem Alter größer werden können, anstatt kleiner zu werden, wie bisher angenommen.
Die Bedeutung der Neuroplastizität
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Gehirn älterer Erwachsener zumindest teilweise das bewahrt, was sie nutzen. Die Alterung des Gehirns lässt sich mit einer komplexen Maschine vergleichen, in der einige häufig genutzte Teile gut geölt sind, während andere, weniger häufig genutzte Teile verrosten.
Ähnlichkeiten zwischen alterndem Gehirn und neurodivergenten Störungen
Interessanterweise weist das Muster der Gehirnveränderungen, das bei älteren Erwachsenen festgestellt wurde - eine stärkere sensorische Verarbeitungsregion und eine reduzierte modulatorische Region -, Ähnlichkeiten mit neurodivergenten Störungen wie Autismus oder ADHS auf. Dies könnte erklären, warum ältere Erwachsene manchmal Schwierigkeiten haben, sich an eine Umgebung mit neuen Sinnesreizen anzupassen.
Der Einfluss der Ernährung in der Schwangerschaft auf die Gehirnalterung
Eine Studie der Universität Jena hat gezeigt, dass die durchschnittliche vorzeitige Alterung des Gehirns einer Gruppe von männlichen Senioren, deren Mütter im holländischen Hungerwinter 1944/45 in der Frühschwangerschaft waren, über vier Jahre beträgt.
Die Studie bestätigte die entscheidende Bedeutung einer ausreichenden Nährstoffversorgung während der Schwangerschaft.
Lebensstilfaktoren und das Gehirnalter
Eine Untersuchung der University of Florida belegt, dass das Gehirn nicht nach einem festen Fahrplan altert, sondern auf Gewohnheiten, Belastungen und Unterstützung im sozialen Umfeld reagiert. Menschen mit geringem Einkommen, weniger Bildung oder starken Schmerzen wiesen häufiger ein älteres Gehirn auf. Doch dieses Bild veränderte sich, sobald Veränderungen im Alltag berücksichtigt wurden.
Teilnehmer, die trotz Schmerzen auf erholsamen Schlaf, Stressregulation und soziale Unterstützung achteten, entwickelten über die zwei Jahre hinweg ein messbar stabileres Gehirnalter. Je mehr Schutzfaktoren zusammenkamen, desto jünger wirkte das Gehirn.
Die wichtigsten Schutzfaktoren für ein junges Gehirn
Besonders relevant waren:
- Regelmäßiger, erholsamer Schlaf
- Ein konstruktiver Umgang mit Stress und Belastungen
- Stabile soziale Unterstützung durch Familie oder enge Freunde
- Ein stabiles, gesundes Körpergewicht
- Der Verzicht auf Tabak
Der Schutz entstand aus der Kombination dieser Faktoren.
Die Rolle von Bevölkerungsstudien in der radiologischen Forschung
Bildgestützte Bevölkerungsstudien verfolgen das Ziel, in einer großen Anzahl radiologischer Bilder Biomarker für die Früherkennung und Voraussage von Krankheiten zu entwickeln.
Prof. Gabriel Krestin vom Erasmus University Medical Center in Rotterdam stellt die weitverbreitete Vorstellung in Frage, dass es ein altersgerechtes Vorgehen in der Medizin gibt. Er argumentiert, dass die Veränderungen, die wir mit dem Vorgang des Alterns in Verbindung bringen, durch symptomatische und manchmal präklinische oder asymptomatische Krankheiten bedingt sind.
Der Einfluss externer Faktoren auf die Gehirnalterung
Was den Alterungsprozess des Gehirns bestimmt, ist der Einfluss externer Faktoren: generelle Risikofaktoren, andere zugrunde liegende Erkrankungen und möglicherweise auch genetische Veranlagungen. Es ist nicht unbedingt die Anzahl der Jahre, die man gelebt hat, die zu diesen Veränderungen führen.
Die Bedeutung der Mikrostruktur der weißen Hirnsubstanz
Dank diffusionsgewichteter MRT können wir inzwischen die Integrität von Mikrostrukturen oder Schäden in der weißen Substanz diagnostizieren. Sogar bei der nicht beeinträchtigten weißen Hirnsubstanz, die bei konventionellen MRT-Aufnahmen ganz normal aussieht, ist eine Veränderung der Diffusionswerte zu erkennen, lange bevor eine Läsion der weißen Substanz Jahre später sichtbar wird.
Biomarker für die Vorhersage von Erkrankungen
Die bildgebende Erfassung solcher Veränderungen wird immer wichtiger, weil sie als Biomarker fungieren, die bestimmte Erkrankungen voraussagen können. Menschen, die Schäden an der Mikrostruktur der weißen Hirnsubstanz aufweisen, oder in hohem Maße an Atrophie oder Läsionen der weißen Substanz leiden, haben ein größeres Risiko, an Demenz oder Schlaganfall zu erkranken.
Super-Ager: Was macht ihr Gehirn besonders?
Die Vallecas-Studie in Spanien untersucht Menschen jenseits der 70 ohne neurologische oder schwere psychiatrische Störungen, um frühe Anzeichen für kognitive Beeinträchtigungen und beginnende Demenz zu identifizieren.
Im Rahmen dieser Studie wurden MRT-Daten zur Hirnstruktur von Super-Agern ausgewertet. Super-Ager sind Menschen im Alter von 80 Jahren und älter, die über eine Gedächtnisleistung verfügen, die eigentlich für 30 Jahre jüngere Menschen typisch ist.
Die Gehirnstruktur von Super-Agern
Die Analyse ergab, dass die Gehirne von Super-Agern mehr graue Substanz haben als typisch alternde Erwachsene. Zudem nahm bei Super-Agern die graue Substanz in Schlüsselbereichen des Gehirns im Laufe von fünf Jahren insgesamt langsamer ab als bei der Vergleichsgruppe.
Faktoren, die mit Super-Agern in Verbindung stehen
Super-Ager verfügen über eine bessere geistige Gesundheit und mehr Mobilität als andere in ihrer Altersgruppe. Lebenslanges Lernen, soziale Aktivitäten, ein aktiverer Lebensstil und die Aufrechterhaltung der Unabhängigkeit im täglichen Leben können dazu beitragen, dass man ein Super-Ager werden kann.
Frühe Diagnose von Demenz: Innovative Ansätze
Ziel der heutigen Forschung ist es, bereits lange vor dem Auftreten erster Gedächtnisstörungen eine gesicherte Diagnose stellen zu können. Wissenschaftler verfolgen verschiedene Ansätze, die letztlich alle eine frühere Diagnose neurodegenerativer Erkrankungen ermöglichen sollen.
Subjektive Gedächtnisstörungen als Frühwarnzeichen
Eine Studie mit 2.415 Patienten im Alter von 75 Jahren und älter untersuchte, ob mittels einer rein subjektiv wahrgenommenen Gedächtnisstörung das Risiko für die Entwicklung einer Demenz bestimmt werden kann. Die Forscher konnten zeigen, dass Patienten, die während eines Arztbesuches von rein subjektiven Gedächtnisstörungen berichten - ohne dass messbare Gedächtnisprobleme vorliegen - häufiger zu einem späteren Zeitpunkt an einer Demenz erkranken als andere.
Bildgebende Verfahren zur Früherkennung von Demenz
Das wichtigste Verfahren, um im Frühstadium eine Demenz zu diagnostizieren, ist heute die Magnetresonanztomographie (MRT). Mit diesem Verfahren können strukturelle Veränderungen im Gehirn nachgewiesen werden. Solche Veränderungen in bestimmten Gehirnregionen deuten auf ein Frühstadium der Demenz hin und ermöglichen schon heute eine frühe Diagnose.
Biomarker für eine frühe und differenzierende Diagnose
Forscher am Deutschen Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen konzentrieren sich besonders auf molekulare und neurochemische Veränderungen, die bei einer Demenzerkrankung im Gehirn ablaufen - und zwar lange bevor strukturelle Veränderungen nachweisbar sind. Die daran beteiligten Stoffe, sogenannte Biomarker, dienen dabei als spezifische Indikatoren.
Zur Messung der Biomarker sollen unter anderem neueste bildgebende Verfahren verwendet werden, die eine höhere Auflösung der Gehirnstruktur als bisherige Verfahren liefern und zusätzliche Informationen über den Stoffwechsel im Gehirn geben. Das sind die Hochfeld-7-Tesla-Magnetresonanztomographie und die Positronen-Emissions-Tomographie (PET).