Im Zeitalter des demografischen Wandels und der zunehmenden Prävalenz neurodegenerativer Erkrankungen gewinnt das Verständnis neuronaler Funktionen und ihrer altersbedingten Veränderungen zunehmend an Bedeutung. Dieser Artikel widmet sich dem Konzept des "neuronalen Langsam Tests", beleuchtet seine Definition, die zugrunde liegenden Mechanismen und seine klinische Relevanz im Kontext neurodegenerativer Erkrankungen.
Einführung
Neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer, Parkinson und Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) stellen eine wachsende medizinische Herausforderung dar. Im Verlauf des Alters kommt es häufig zu einem Verlust von Nervenzellen und deren Funktionen. Da der Anteil älterer Menschen an der Bevölkerung stetig zunimmt, gelten neurodegenerative Erkrankungen als eine der wichtigsten medizinischen Herausforderungen der kommenden Jahrzehnte. Experten schätzen, dass bereits heute rund 1,5 Millionen Deutsche an einer Demenz erkrankt sind. Neben der Parkinson-Erkrankung und verschiedenen Demenzformen gibt es eine Reihe weiterer neurodegenerativer Erkrankungen.
Die Nervenzellen des Gehirns sind einerseits sehr langlebig, andererseits können sie sich bei Verletzungen nicht oder nur schwer regenerieren. Die Ursachen für die Neurodegeneration, also das Absterben der Nervenzellen, sind je nach Krankheit unterschiedlich und bisher oft nur teilweise bekannt.
Neurodegeneration: Ein komplexer Prozess
Was letztlich zur Neurodegeneration, also dem Absterben der Nervenzellen führt, ist je nach Krankheit unterschiedlich und bisher oft nur teilweise bekannt. Bei bestimmten Formen der Parkinson-Erkrankung oder der Creutzfeldt-Jakob-Erkrankung beispielsweise kommt es als Folge einer genetischen Besonderheit zu einer Zusammenlagerung von Eiweißstoffen in den Nervenzellen des Gehirns. Diese Aggregate beeinträchtigen die Funktion der Zellen und führen schließlich zu ihrem Tod. Bei Menschen mit Huntington-Erkrankung tritt eine ganz bestimmte genetische Sequenz im Erbgut sehr viel häufiger auf als bei gesunden Menschen.
Neuere wissenschaftliche Erkenntnisse zeigen, dass auch unser Immunsystem Auswirkungen auf die Entstehung und den Verlauf neurodegenerativer Erkrankungen haben kann. Immunzellen, die den Körper eigentlich schützen sollen, könnten im Gehirn Schäden anrichten und so beispielsweise die Alzheimer-Krankheit antreiben.
Lesen Sie auch: Alles über neuronale Geschwindigkeitstests
Charakteristisch für neurodegenerative Erkrankungen ist, dass meist nicht das ganze Gehirn betroffen ist, sondern unterschiedliche, oft sehr genau umschriebene Bereiche beziehungsweise Zelltypen. Bei der Parkinson-Erkrankung beispielsweise sind ausschließlich Nervenzellen betroffen, die den Botenstoff Dopamin produzieren. Dopamin wird für die Bewegungssteuerung benötigt. Die entsprechenden Nervenzellen haben eine koordinierende Funktion. Folglich wirken Parkinson-Patientinnen und -Patienten in ihren Bewegungsabläufen steif und verlangsamt, oder sie zeigen sehr charakteristische Bewegungsmuster, etwa Muskelzittern (Tremor).
Auch die Huntington-Erkrankung betrifft Nervenzellen, die an der Steuerung von Bewegungsabläufen beteiligt sind. In diesem Fall produzieren die absterbenden Nervenzellen den Botenstoff Glutamat. Die betroffenen Menschen zeigen ausladende Bewegungen, die wie ein Tanz wirken können. Bei der Amyotrophen Lateralsklerose (ALS) wiederum gehen selektiv sogenannte Motoneurone zugrunde. Das sind Nervenzellen, die das Gehirn mit der Muskulatur verbinden. Wenn Motoneurone sterben, dann kann das Gehirn die Muskeln nicht mehr „ansteuern“.
Das Deutsche Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen e. V. (DZNE) erforscht die Ursachen von Störungen des Nervensystems und entwickelt Strategien zur Prävention, Therapie und Pflege bei Krankheiten wie Alzheimer, Parkinson oder Amyotrophe Lateralsklerose (ALS). Dabei kooperiert es eng mit Universitäten, deren Kliniken und außeruniversitären Einrichtungen auf nationaler und internationaler Ebene. Das DZNE ist eines von sechs Zentren der Gesundheitsforschung (DZG), die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung zur Bekämpfung der wichtigsten Volkskrankheiten eingerichtet wurden.
Neuronale Netzwerke: Grundlagen und Funktionsweise
Neuronale Netze sind ein grundlegendes Konzept im Verständnis der Hirnfunktion. Sie bestehen aus miteinander verbundenen Neuronen, die Informationen verarbeiten und weiterleiten.
Aufbau Neuronaler Netze
Grundsätzlich bestehen neuronale Netze aus Knoten oder Units, in Anlehnung an die Knotenpunkte im menschlichen Gehirn. Dabei sind die Neuronen-Knoten über sogenannte Kanten miteinander vernetzt. In vielen neuronalen Netzen werden die Neuronen auf hintereinander liegenden Schichten (engl. Layers) platziert. Es wird zwischen sogenannten Feedforward-Netzen und rekurrenten Netzen unterschieden. Bei einem Feedforward-Netz ist eine Weiterleitung der Informationen nur in eine Richtung möglich. Die einfachste Verwirklichungsform eines neuronalen Netzes ist ein einschichtiges Netz mit Feedforward-Eigenschaften, auch als Perzeptron bezeichnet. Es besteht aus lediglich einer trainierbaren Neuronenschicht, der sogenannten Ausgabeschicht. Um ein solches Netz zu trainieren, kommt die sogenannte Delta-Regel zum Einsatz. Dieser Algorithmus erlaubt nur eine geringe Komplexität.
Lesen Sie auch: Das Nervensystem verstehen
Funktionsweise von Neuronen
Ein Neuron erhält Input von anderen Neuronen über seine Dendriten. Dieser Input wird verarbeitet, und wenn eine bestimmte Schwelle überschritten wird, sendet das Neuron ein Signal (Output) über sein Axon an andere Neuronen weiter.
Aktivierungsfunktionen
Der Aktivitätslevel eines Neurons wird durch eine Aktivierungsfunktion bestimmt. Häufig wird als Ausgabefunktion die Identitätsfunktion verwendet, d.h. der Output ist gleich dem Aktivitätslevel. Man kann dabei die logistische Funktion und die Tangens-Hyperbolicus-Funktion unterscheiden.
Der "Neuronale Langsam Test": Definition und Konzept
Der "Neuronale Langsam Test" ist ein Konzept, das die Verlangsamung der Informationsverarbeitung im Gehirn als Folge von altersbedingten Veränderungen oder neurodegenerativen Prozessen beschreibt. Es bezieht sich auf die Messung und Bewertung der Geschwindigkeit, mit der neuronale Netzwerke Informationen verarbeiten und weiterleiten können.
Messung der neuronalen Verlangsamung
Die Messung der neuronalen Verlangsamung kann auf verschiedenen Ebenen erfolgen, von der einzelnen Nervenzelle bis hin zu ganzen Hirnregionen. Zu den wichtigsten Methoden gehören:
- Elektrophysiologische Messungen: Diese Methoden, wie beispielsweise die Elektroenzephalographie (EEG), erfassen die elektrische Aktivität des Gehirns und können Veränderungen in der Geschwindigkeit und Synchronität neuronaler Signale aufzeigen.
- Bildgebende Verfahren: Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) und Positronenemissionstomographie (PET) ermöglichen die Visualisierung der Hirnaktivität und können Veränderungen in der Reaktionszeit und Effizienz neuronaler Netzwerke darstellen.
- Kognitive Tests: Spezielle neuropsychologische Tests können die Geschwindigkeit der Informationsverarbeitung, die Reaktionszeit und die Exekutivfunktionen messen, die alle von der neuronalen Effizienz abhängen.
Einflussfaktoren auf die neuronale Geschwindigkeit
Verschiedene Faktoren können die Geschwindigkeit der neuronalen Informationsverarbeitung beeinflussen:
Lesen Sie auch: Funktionsweise Neuronaler Netze
- Myelinisierung: Die Myelinschicht, die die Axone der Nervenzellen umgibt, spielt eine entscheidende Rolle für die Geschwindigkeit der Signalübertragung. Eine Schädigung der Myelinschicht, wie sie beispielsweise bei Multipler Sklerose auftritt, kann die neuronale Geschwindigkeit erheblich verlangsamen.
- Synaptische Plastizität: Die Stärke und Effizienz der synaptischen Verbindungen zwischen den Nervenzellen sind entscheidend für die Informationsverarbeitung. Veränderungen in der synaptischen Plastizität, wie sie beispielsweise bei Lernprozessen auftreten, können die neuronale Geschwindigkeit beeinflussen.
- Neurotransmitter: Die Verfügbarkeit und Funktion von Neurotransmittern, den Botenstoffen des Gehirns, spielen eine wichtige Rolle für die Signalübertragung zwischen den Nervenzellen. Ein Mangel an bestimmten Neurotransmittern, wie beispielsweise Dopamin bei der Parkinson-Erkrankung, kann die neuronale Geschwindigkeit verlangsamen.
- Alter: Im Laufe des Alters kommt es zu natürlichen Veränderungen im Gehirn, die die neuronale Geschwindigkeit beeinflussen können. Dazu gehören beispielsweise ein Verlust von Nervenzellen, eine Abnahme der Myelinisierung und Veränderungen in der synaptischen Plastizität.
Klinische Relevanz des Neuronalen Langsam Tests
Der "Neuronale Langsam Test" hat eine erhebliche klinische Relevanz, insbesondere im Hinblick auf die Diagnose und Verlaufskontrolle neurodegenerativer Erkrankungen.
Früherkennung von neurodegenerativen Erkrankungen
Eine Verlangsamung der neuronalen Informationsverarbeitung kann ein frühes Anzeichen für neurodegenerative Erkrankungen sein, oft bevor andere Symptome deutlich werden. Durch die Messung der neuronalen Geschwindigkeit können Risikopatienten identifiziert und frühzeitig interventionelle Maßnahmen eingeleitet werden.
Differenzialdiagnostik
Der "Neuronale Langsam Test" kann auch bei der Differenzialdiagnostik verschiedener neurodegenerativer Erkrankungen hilfreich sein. Jede Erkrankung hat ihre eigenen charakteristischen Muster der neuronalen Verlangsamung, die durch spezifische Tests und Messungen identifiziert werden können.
Verlaufskontrolle und Therapieüberwachung
Die Messung der neuronalen Geschwindigkeit kann verwendet werden, um den Verlauf einer neurodegenerativen Erkrankung zu verfolgen und die Wirksamkeit von Therapien zu überwachen. Eine Verbesserung der neuronalen Geschwindigkeit kann ein Zeichen für eine erfolgreiche Therapie sein, während eine weitere Verlangsamung auf ein Fortschreiten der Erkrankung hindeuten kann.
Augenbewegungsstörungen als Indikator für neuronale Verlangsamung
Augenbewegungsstörungen und Nystagmus können bei vielen neurologischen, HNO-ärztlichen und ophthalmologischen Erkrankungen auftreten und können als Indikator für neuronale Verlangsamung dienen. Eine systematische klinische Untersuchung der Augenbewegungen ermöglicht eine Differenzierung zwischen zentralen und peripheren Störungen.
Klinische Bedeutung von Augenbewegungsstörungen
Störungen der Augenbewegungen oder ein Nystagmus - periodische, meist unwillkürliche Augenbewegungen - sind insbesondere bei Patienten mit Läsionen im Bereich des Hirnstamms (hier häufig zusätzliche Hirnstammsymptome) oder Kleinhirns von topodiagnostischer Bedeutung. Dies gilt auch für Patienten mit Dreh- oder Schwankschwindel, verursacht zum Beispiel durch einen akuten einseitigen Labyrinthausfall, einen Hirnstamminfarkt oder Kleinhirnerkrankungen. Bei einem systematischen Vorgehen ist in den meisten Fällen - auch ohne apparative Zusatzuntersuchungen - eine korrekte topografisch-anatomische Diagnose möglich, da wir über genaue anatomische und neurophysiologische Kenntnisse verfügen (3-6) und sich relevante Funktionsstörungen bei der körperlichen Untersuchung erkennen lassen.
Untersuchung von Augenbewegungen
Patienten mit Augenbewegungsstörungen geben in Abhängigkeit von der Ursache die folgenden Beschwerden isoliert oder in Kombination an:
- Verschwommensehen
- Doppelbilder
- laufende Bilder, sogenannte Oszillopsien
- Schwankschwindel
- Drehschwindel
- Fallneigung und/oder
- Symptome von Seiten des Hirnstamms (zum Beispiel Schluck- oder Sprechstörungen), des Kleinhirns (zum Beispiel Koordinationsstörungen der Extremitäten) oder des Innenohrs (zum Beispiel Hörminderung oder Tinnitus).
Die klinische Untersuchung umfasst die Inspektion, die Prüfung der Augenstellung in den acht Hauptblickrichtungen, die Untersuchung der langsamen Augenfolgebewegungen und der Sakkaden sowie die Auslösung des optokinetischen Nystagmus (OKN).
Klinische Untersuchung bei Nystagmus
Patienten mit Verdacht auf Nystagmus sollten wie folgt untersucht werden:
- In der sogenannten Primärstellung, das heißt beim Blick geradeaus, mit der Frage nach einem Fixations- oder Spontannystagmus.
- Im Seit-, Auf- und Abblick mit der Frage nach einem Blickrichtungsnystagmus oder einer Verstärkung/Abnahme der Intensität eines Fixations- oder Spontannystagmus.
- In Seitlagerung des Patienten mit der Frage nach einem peripheren Lagerungsnystagmus oder einem seltenen zentralen Lage- oder Lagerungsnystagmus.
- Schließlich mit dem Kopfschütteltest.
Topografische Anatomie von Augenbewegungsstörungen
Für die Auslösung und Steuerung von Augenbewegungen sind nur wenige Zentren im Hirnstamm von Bedeutung, denen man eine genaue Funktion zuordnen kann. Dies macht die pathologische Anatomie überschaubar. Zunächst gilt folgende einfache klinische Regel: horizontale Augenbewegungen werden im Pons generiert und gesteuert, vertikale (und torsionelle) im Mesencephalon.
Neuronale Netze in der Regression
Neuronale Netze können auch für Regressionsprobleme eingesetzt werden, bei denen der Wert einer numerischen Variablen vorhergesagt werden soll.
NN-Regression vs. NN-Klassifizierung
Bei der NN-Regression hat das neuronale Netzwerk einen einzigen Ausgabeknoten, der den vorausgesagten Wert der abhängigen numerischen Variablen enthält. Im Gegensatz dazu hat eine NN-Klassifizierung "n" Ausgabeknoten, wobei "n" die Anzahl der Werte ist, die die abhängige Variable verwenden kann.
Aktivierungsfunktionen bei der NN-Regression
Bei der NN-Regression gibt es eine Aktivierungsfunktion für die verdeckten Knoten, aber keine Aktivierungsfunktion für den Ausgabeknoten. Die Ausgabe eines neuronalen Netzwerks wird durch seine Eingabewerte und eine Gruppe von Konstanten bestimmt, die als Gewichte und Verzerrungen bezeichnet werden.
Training von NN-Regressionsmodellen
Der Prozess des Bestimmens der Werte für die Gewichte und Verzerrungen wird als Trainieren des Modells bezeichnet. Der gängigste Ansatz ist das Verwenden des Rückpropagierungsalgorithmus.
tags: #neuronaler #Langsam #Test #definition