Migräne Ctrl-Alt-Del

Graue Substanz

Migräne stoppen mit Hilfe des Computers.

Neulich war ich also auf diesem Workshop "Computational Neuroscience and the Dynamics of Disease States", über den ich schon im letzten Beitrag schrieb und erst mal klärte was Computational Neuroscience (CN) ist. Es geht jetzt um Computermodelle und Krankheiten des Gehirns. Es geht aber auch um die Wettervorhersage und wie man ein Flugzeug landet.

Die Erforschung der Hirnerkrankungen stellt einen eigenständigen Zweig, in meinen Augen einen leider noch unterrepräsentierten Bereich, innerhalb der CN-Gemeinschaft da. Die Erkrankungen des Gehirns könnte man nun sogar noch in psychiatrische und neurologische Erkrankungen unterteilen. Darauf werde ich später noch mal einen Blick richten.1 Auf dem oben erwähnten Workshop standen nicht ohne Grund nur neurologische Erkrankungen im Fokus: mit Epilepsie und Parkinson-Krankheit klar im Zentrum, Migräne war durch mich vertreten, also zusammen drei neurologische Erkrankungen.

Um die Idee des Workshops zu veranschaulichen, zitiere ich aus einem Artikel mit dem Titel "Towards model-based control of Parkinson’s disease" (Schiff, 2010). Er stammt von einem Teilnehmer und meinem Kooperationspartner bei einem BMBF/NSF/NIH geförderten CRCNS-Projekt (dazu später mehr). Der Artikel bietet einen gut verständlichen Überblick über die Parkinson-Krankheit und den Sinn von Computermodellen bei dieser. Doch die Einleitung ist zunächst allgemein gefasst:

This morning, you awoke to a not unreasonable weather forecast. The most recent aeroplane you flew on may well have autolanded by a control system without pilot intervention. Both of these seemingly disparate activities are examples of the revolution created by modern control theory to observe (weather) and control (airframes) complex systems. In both of these cases, a computational model, embodying our a priori knowledge of the system at hand, was the key to the success.

It seems incredible that the tremendous body of skill and knowledge of model-based control engineering has had so little impact on modern medicine. Dynamical diseases are diseases characterized by the operation of a biological control system in a region of physiological parameters that produces pathological behaviour (Mackey & Glass 1977). Dynamical diseases of the brain are those where the symptoms are created by abnormal patterns of activity within neuronal networks (Milton & Jung 2003). The timing is now propitious to propose fusing control theory with neural stimulation for the treatment of dynamical brain disease.

[An diesem Morgen erwachten Sie mit einer nicht unangemessenen Wettervorhersage. Es kann gut sein, dass das letzte Flugzeug, mit dem Sie flogen, durch eine automatische Steuerung ohne Eingreifen des Piloten landete. Beide dieser scheinbar ganz verschiedenen Tätigkeiten sind Beispiele für die Revolution, die es durch moderne Kontrolltechnik erlaubt,  komplexe Systeme zu beobachten (Wetter) und zu steuern (Flugzeuge). In beiden Fällen war ein Computermodell, das unsere a priori Wissen über das jeweilige System verkörpert, der Schlüssel zum Erfolg.

Es scheint unglaublich, dass die enorme Menge an Können und Wissen der modell-basierten Steuerungstechnik so wenig Einfluss auf die moderne Medizin hatte. Dynamische Krankheiten sind Krankheiten, bei denen die biologische Regulierung in einem Bereich physiologischer Parametern betrieben wird, der pathologisches Verhalten hervorruft (Mackey & Glass 1977). Dynamische Krankheiten des Gehirns sind solche, bei denen die Symptome durch abnormale Muster der Aktivität in neuronalen Netzwerken erzeugt werden (Milton & Jung 2003). Die Zeit ist jetzt gekommen um vorzuschlagen, dass die Steuerungsstechnik nun mit neuronaler Stimulation zur Behandlung dynamischer Erkrankung des Gehirns fusioniert. (Übersetzung M.A.D.)]

Die Übersetzung ist vielleicht etwas holprig, da dieser Artikel zum einen sehr eloquent formuliert ist, zum anderen aber auch wegen der feinen Nuancen der Wortbedeutungen. "Rechnermodell" hätte ich fast lieber als "Computermodell" geschrieben, da es hier mehr um das mathematische Modell als um ein Gerät geht, wenn von "computer model" die Rede ist.

Noch schwieriger ist die Übersetzung des Begriffs "control" / "control theory", der mit "modern", "engineering" und "biological"  kombiniert wurde. Das habe ich einmal zu  "moderne Kontrolltechnik" gemacht, so wie wir es in unserem neuen Sonderforschungsbereich 910 zu dieser Thematik halten. Das "control" der Ingenieure wurde zu Steuerungstechnik als Teilgebiet der Automatisierungstechnik, das der Biologen aber zur Regulierung, was in den Teilbereich der Physiologie fällt.

Es geht also um eine Fusion dieser unterschiedlichen Welten.

Auf Epilepsie und Migräne werde ich im nächsten Beitrag genauer eingehen. Beide haben Gemeinsamkeiten auf zellulärer Ebene, im Krankheitsverlauf und in den Fragen, die wir mit den jeweiligen Computermodell beantworten wollen.  

Zum Abschluss will ich zwei Beispiel zeigen. Moderne Kontrolltechnik ist bei der Parkinson-Krankheit für die Hirnschrittmacher dringend nötig, will man tiefe Hirnstimulation intelligent betreiben und nicht nur im Hirn herum brutzeln. Obwohl auch das schon erstaunlich gut funktioniert und Tremor und andere Symptome oft gut unterdrückt werden können. Doch laufen allein die Batterien so schnell leer und auch kognitive Nebenwirkungen können durch moderne Kontrolltechnik optimiert werden, so die Hoffnung (Schiff, 2010).

Bei der nicht-medikamentösen Behandlung von Kopfschmerzen ist mein Beispiel die transkranielle Magnetstimulation, kurz TMS. Obwohl auch Vagusnervstimulatoren und andere Neurostimulatoren hier heiß gehandelt werden.

 

Wieder: Ohne moderne Kontrolltechnik, die die Stimulationsprotokolle dieser Geräte (s. oben) bestimmt, sind diese Geräte vergleichbar einem Holzhammer, mit dessen Stil man den Nagel in die Wand schlägt, in Unkenntnis, dass es einen Hammerkopf gibt, der auch noch besser aus Stahl wäre. 

Die Zeit ist jetzt gekommen Kontrollstrategien als alternative Therapien zu erforschen, mit dem Ziel Migräneanfälle zu beenden. Migräne Ctrl-Alt-Del.

 

Fußnote

Zum Titel: "Ctrl-Alt-Del", auf deutschen Tastaturen "Strg-Alt-Entf", auch Klammergriff genannt, bezeichnet eine Tastenkombination die ein fehlgeschlagenes Computerprogramm radikal beendet.

 

1 Mein erster Blogbeitrag auf den SciLogs war über ein ähnliches Symposium, organisiert vom National Institute of Mental Health (ein US-amerikanisches Forschungszentrum für psychische Störungen), wo folglich auch psychische Erkrankungen eine große Rolle spielten. Ob neurologisch oder psychisch ist bei weitem nicht nur ein kleiner wohl aber ein subtiler Unterschied wenn es um Modelle geht. Ein Unterschied der, sobald mathematische Gleichungen aufgeschrieben werden sollen, viel klarer zu Tage tritt, dann nämlich wird konkret, was wir auf physiologischer Ebene über die Erkrankung wissen oder eben noch nicht wissen.   

 

Literatur

Mackey M. C., Glass L. Oscillation and chaos in physiological control systems. Science. 1977; 197:287–289 (doi:10.1126/science.267326)

Milton J., Jung P., eds Epilepsy as a dynamical disease. Berlin, Germany: Springer; 2003.

Schiff S. J., Towards model-based control of Parkinson’s disease. Philos Transact A Math Phys Eng Sci. 2010; 368:2269-308. Review. (doi:10.1098/rsta.2010.0050)

 

Bildquelle

 Stereotaxiegerät zur Platzierung einer Stimulationselektrode aus Wikidedia, GNU-Lizenz für freie Dokumentation,

Markus A. Dahlem

Markus Dahlem forscht seit über 20 Jahren über Migräne, hat Gastpositionen an der HU Berlin und am Massachusetts General Hospital. Außerdem ist er Geschäftsführer und Mitgründer des Berliner eHealth-Startup Newsenselab, das die Migräne- und Kopfschmerz-App M-sense entwickelt.

4 Kommentare

  1. wohin

    Gibt es Vermutungen wohin all das führen könnte? Werden wir eines Tages in einer Welt ohne Migräniker, Epileptiker und Parkinson Krankheit leben?

    Wenn etwas gemacht werden kann, dann wird es auch irgendwann getan.

    Wer wird eines Tages darüber entscheiden was und wer behandelt wird?

    Ich hoffe nicht missverstanden zu werden, aber müssen wir überhaupt alle Seltsamkeiten aussortieren, jeden Schmerz sofort beenden?

    Niemand möchte Leiden und wenn ich könnte würde ich all das sofort beenden, aber was wäre das dann für eine Welt?

    Und nein, ich bin nicht gegen diese Art Forschung, ich überlege nur.

  2. Charme und Abstoßung

    Die nichtinvasiven Methoden, wie der oben gezeigte migraine zapper, haben, denke ich, ja schon ihren unmittelbaren Charme. Wohingegen das kleine Bild des Stereotaxiegeräts zur Platzierung einer Stimulationselektrode im Gehirn die Frage aufwirft warum man eigentlich wirklich Schrittmacher ins Hirn einbauen will?

    Ich will also diese, eine andere Frage zurückgeben — wobei ich Deine Frage auch so verstanden habe, dass sie an alle Leser gerichtet war, gar nicht nur an mich — ich will also diese weitere Frage an Deine anschließen.

  3. Pingback:Faradisch war und bleibt die Frage › Graue Substanz › SciLogs - Wissenschaftsblogs

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