Spiralwellen in Hirnwindungen nachgewiesen

BLOG: Graue Substanz

Migräne aus der technischen Forschungsperspektive von Gehirnstimulatoren zu mobilen Gesundheitsdiensten.
Graue Substanz

Wir haben eine neue Veröffentlichung in NeuroImage. Wir beobachten erstmals Kreiswellen, Spiralwellen und nachhallende Wellen in der gekrümmten Großhirnrinde, eine Zusammenarbeit, die an der Universitätsklinik für Neurochirurgie Heidelberg durchgeführt wurde. Parallel dazu veröffentlichten wir Anfang Mai die mathematische Beschreibung solcher Wellen in der gekrümmten Großhirnrinde im New Journal of Physics.

Vor genau 70 Jahren wurden sie entdeckt. Mit einem der allerersten Mehrkanal-Elektroenzephalografen und im ungekrümmten Hirn von Nagetieren beobachtete man majestetisch langsame Wellen. Bis heute blieb die Existenz und Form dieser Wellen in der gekrümmten äußeren Rinde des menschlichen Großhirns (Kortex) unklar.

Die Schwierigkeit diese Wellen insbesondere beim Menschen zu beobachten rührt daher, dass sie langsam sind, sehr langsam. Um allein eine kleine Hirnwindung von nur 3 Zentimeter zu durchlaufen braucht sie 10 Minuten – viel zu langsam, um elektroenzephalographisch durch die Schädeldecke hindurch überhaupt messbar zu sein.

Der menschliche Kortex ist ca. einen viertel Quadratmeter groß. Diese langsamen Wellen können über eine Stunde brauchen um hindurchzuwandern. Schlimmer noch, die Wellen können wiederkehren, wie wir jetzt in der Zeitschrift NeuoImage zeigen (Santos et al., Radial, spiral and reverberating waves of spreading depolarization occur in the gyrencephalic brain. NeuroImage, Epub ahead of print) und so sich im Prinzip auch stundenlang aufhalten.

spiral

Die Existenz solcher Muster im Gehirn wurde immer wieder in Frage gestellt. Bei Schlaganfallpatienten konnten zwar ähnliche Muster als kurze einzelne Wellenpusle indirekt nachgewiesen werden. Es konnten Teils mehrer Dutzend solcher Wellenpulse über Tage und Wochen gemessen werden. Dessen genaue räumliche Wellenform insbesondere der Zusammenhang einzelner Wellenpulse in Form wiedergekehrter Wellenzüge in der gefalteten Rinde des Großhirns blieb jedoch völlig unklar.

Diese Wellen spielen nicht nur bei Schlaganfall eine bedeutende klinische Rolle sondern auch bei Migräne mit Aura, z.Z. arbeiten wir an einer Theorie, wie die Wellenform mit dem Kopfschmerz zusammenhängen könnte.

Im Juli veranstalten wir am Fields Institute (Toronto, Canada) eine Serie von vier einwöchigen Workshops über die verschiedenen Aspekte dieser langsamen Wellen im Gehirn.

Fußnoten

 Spiralwellen in der Netzhaut (hier) sind schon länger bekannt.

*Die Welle verursacht im Prinzip reine Gleichstrom-Potenziale (Frequenzen < 0.1Hz) die durch Störsignale aus den Hirnhäuten in diesem Frequenzbereich verdeckt bleiben.

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.

17 Kommentare

  1. Wäre natürlich auch klinisch interessant die genaue zeitliche Dauer und die Lokalisation solcher Spiralwellen rund um einen Migräneanfall zu kennen. Es könnte ja sein, dass es einen zeitlichen Zusammenhang mit den verschiedenen Symptomen inkllusive Kopfschmerz gibt. Vielleicht erlaubt ja die nächste fMRI-Generation sogar eine detaillierte bildliche Darstellung.

      • Herr Dahlem, natürlich ist meine Email-Adresse ungültig, sonst würde ich ja von Ihnen andauernd Werbung bekommen, und ich würde getrackt, vermutlich gehackt und schließlich gezwungen, Sachen zu kaufen, derer ich eigentlich nicht bedarf. Das traue ich mich nicht.

        Eine vielleicht naive Frage: Wenn eine hübsche wissenschaftliche Erkenntnis mitzuteilen ist und ggf. diskutiert werden soll, warum wird sie dann nicht einfach für alle einsehbar und barrierefrei auf einer offenen Plattform (z.B. auf arxiv.org) veröffentlicht?

        • Alle Arbeiten, bei denen ich die Federführung trage, sind wenigstens im arXiv meist auch in open access veröffentlicht. Ich kann das aber nicht immer allein bestimmen. Von den letzten 10 vielleicht 20 Artikeln (also quasie seit es arxiv und OA gibt) sind das aber immerhin bisher wirklich alle bis auf leider diesen einen.

          Sie bekommen auch nicht “andauernd Werbung” von mir. Sondern genau nie.

        • Ich möchte das nicht unkommentiert stehen lassen! Vorsicht ist immer gut, niemand will gehackt werden, deswegen hat man mehrere Adressen oder Knick-Names, die sich falls JEMAND hackt löschen lassen. Ihre Formulierung ist unhöflich, verleumderisch und unzutreffend. Von Markus Dahlem habe ich NIEMALS Werbung oder Verkaufsangebote erhalten.

          • “Deswegen hat man mehrere Adressen oder Knick-Names”

            Sie vielleicht und haben gut reden! Ich aber habe erst neulich mit einer Knick-Lampe (ähnlich einem Knick-Name) meine Erfahrungen gemacht, und kurz nach Gebrauch mindestens zwei Verkaufsangebote (1 Anti-Migräne-Maschine, 1 Wellness-Gutschein (mit, im Kleingedruckten, “nur” 634 Euro Eigenbeteiligung)), die mir auffällig vorkamen. Sehr auffällig, ehrlich gesagt. Da liegt die Vermutung nahe, daß der Artikelposter mich nur neugierig machen will, um mir was zu verkaufen, hintenrum.

            Ich verstehe nicht, was daran verleumderisch sein soll, mal höflich darauf hinzuweisen, daß nicht immer alles Gold ist.

          • Sagen Sie mal. Wie kommen Sie auf die Idee, ich wolle “Blut spritzen sehen”?

          • Bei mir kamen die Kommentare nicht als konstruktive an. Selbst nach Antworten oder neuen, bezugnehmenden Kommentaren nicht. Es ist recht leicht, in Blog-Kommentaren zu reizen und es gibt KommentarInnen, die legen es primäre darauf an. So kamen mir Ihrem Kommentare vor. Ich werde das jetzt nicht anhand von Zitaten belegen, wenn ich mich täusche, wird sicher noch eine Diskussion hier aufkommen. Wenn nicht, auch gut.

    • Wie kommst Du auf “physische”? Habe ich das was missverständlich geschrieben? Es sind Wellen in Form sich fortpflanzender Zustandsänderungen. Ich (bzw. wir alle) würde z.B. auch die La Ola im Fußballstadion als Welle bezeichnen. Da ändert sich der Zustand der Zuschauer (sitzend vs stehend) selbst-organisiert. Bei den Gehirnzellen änderen sich die Ionengradienten über ihrer Membran.

      • Wie kommst Du auf “physische”?

        Körperlich, ja wie Laola-Wellen. Allerdings dachte ich dabei mehr daran, dass sich das Gehirngewebe wirklich bewegt.

        Bei den Gehirnzellen änderen sich die Ionengradienten über ihrer Membran.

        Achso. Es geht also gewissermaßen um die Ladungsverteilung.

        • Ja, wobei mit der Ladungsverteilung auch osmotische Änderungen einhergehen und Gewebe dabei also anschwillt.

          In dieser Betrachtung hilft vielleicht das Konzept der longitudinalen und transversalen Wellen. Wellen müssen nicht in einer dieser Klassen fallen, da nicht immer etwas konkret sich bewegen/schwingen muss. In guter Näherung ist das bei der normalen Nervenleitung so (da kaum Ionen fließen, um die notwendigen Potentialänderungen zu verursachen). Bei den Spiralwellen kommt es aber zur Gewebeschwellung. Diese Schwellung scheint aber eher ein Epiphänomen zu sein (was wir gerade untersuchen).

          Ein weitere Aspekt ist, dass diesen Wellen nicht (abstrakte) Schwingungen sind, die mit einer
          hyperbolisch partiellen Differentialgleichungen (PDG) beschrieben werden (der Wellengleichung) sondern mit einer parabolisch partiellen Differentialgleichung (nämlich einer Reaktions-Diffusions(RD)-Gleichung).

          Das war nun ein etwas technischer Teil der Antwort.

          Jene (hyperbolische PDG) würde wohl keine Spirallösung zulassen, bei RD-Systemen ist das eine ganz natürliche Form.

    • Wobei ich Schallwellen auch noch als Beispiel anfügen will. Sind das “physische Wellen”? Wenn ja, dann auch so im Gehirn. Es ist zwar keine Schallwelle, aber eine gewisse Verwandtschaft besteht. (Kollegen von mir beschrieben so etwas sogar als langsame Schallwelle. Da gehe ich allerdings aus Gründen nicht mit. Wäre ein eigener Blogbeitrag.)

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