Einfluss hippokampaler Gefäßversorgungsmuster auf die neuronalen Ressourcen der neurokognitiven Verbindungen innerhalb des medialen Temporallappens

B04

Der Hippocampus ist für die Gedächtnisbildung entscheidend. Dieser ist jedoch  besonders anfällig für altersbedingte Degeneration und unterscheidet sich hinsichtlich seiner arteriellen Versorgung zwischen Personen. In unserem Projekt möchten wir herausfinden, wie sich das Vaskularisierungsmuster des Hippocampus auf neuronale Ressourcen, altersbedingte Pathologie und kognitive Fähigkeiten auswirkt.

Gruppenleitung

Dr. Esther Kühn

Dr. Anne Maass

Prof. Dr. med. Stefanie Schreiber

Dr. Esther Kühn

Esther Kühn leitet die Forschergruppe “Kortikale Mikrostruktur in Gesundheit und Krankheit” am Institut für Kognitive Neurologie und Demenzforschung an der Medizinischen Fakultät. Sie untersucht adaptive und nicht-adaptive Veränderungen der kortikalen Mikrostruktur des sensorimotorischen Systems am Menschen mit Hilfe der Ultrahochfeld MRT-Bildgebung in Kombination mit Verhaltensmessungen. Ihre Forschung hat das Ziel, nicht-adaptive Veränderungen der kortikalen Mikrostruktur des sensorimotorischen Systems am Menschen zu verstehen, insbesondere altersbedingte Veränderungen, Veränderungen bei psychischen Erkrankungen und bei Erkrankungen des Bewegungsapparates. Sie unterstützt den SFB durch ihre Expertise in den Bereichen 7T-MRT-Bildgebung, Datenmodellierung und die biologisch-gestützte Analyse von MRT Gewebekontrasten.

:Otto-von Guericke-Universität Magdeburg, Medizinische Fakultät

:B04 Einfluss hippokampaler Gefäßversorgungsmuster auf die neuronalen Ressourcen der neurokognitiven Verbindungen innerhalb des medialen Temporallappens

:Z02 Mesostruktur Neurobildgebung am Menschen

Dr. Anne Maass

Dr. Anne Maass leitet eine Nachwuchsforschergruppe am DZNE (seit 2019). In ihrer Forschung nutzt sie multimodale Bildgebungsverfahren um besser zu verstehen, wie sich das Gehirn und dessen Funktion im Alter und in altersbedingten Erkrankungen wie der Alzheimer Krankheit verändert. In ihrer früheren Forschungsarbeit nutzte sie z.B. hochauflösendes funktionelles MRT um Gedächtnisnetzwerke im Medialen Temporallappen und dessen Plastizität im Alter zu untersuchen. Während ihrer Post Doktorandenzeit in UC Berkeley kombinierte sie funktionelles MRT und molekulare Bildgebung (PET), die es ermöglicht Alzheimer Proteine im Gehirn sichtbar zu machen. Dabei erforschte sie wie Tau und Amyloid-beta Proteine, die sich bei der Alzheimer Erkrankung im Gehirn ablagern, die Hirnfunktion und Gedächtnisnetzwerke beeinträchtigen. Am DZNE führt sie diese Forschung fort und versucht mit Hilfe multimodaler Bildgebungsverfahren (z.B. PET, fMRT) zu verstehen, was zur Ausbreitung von Alzheimer Pathologie führt und warum manche Menschen resistent dagegen sind (keine Ablagerungen entwickeln) oder andere trotz Pathologie kognitiv unbeeinträchtigt bleiben (resilient sind). Im SFB1436 leitet sie das  Z03 Projekt gemeinsam mit Prof. Düzel and Prof. Kreissl sowie das Projekt B04 gemeinsam mit  Esther Kühn und Stefanie Schreiber (Co-PI: Nadine Diersch).

Institut:Deutsches Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen e.V. (DZNE), Magdeburg

Project:B04 Einfluss hippokampaler Gefäßversorgungsmuster auf die neuronalen Ressourcen der neurokognitiven Verbindungen innerhalb des medialen Temporallappens

:Z03 Erstellung und Untersuchung einer Biomarker-basierten Alterskohorte

Prof. Dr. med. Stefanie Schreiber

Als forschende Neurologin gilt mein Hauptaugenmerk der Entwicklung eines besseren Verständnisses der bisher viel zu oft schicksalhaften neurodegenerativen Erkrankungen des zentralen und peripheren Nervensystems. Dabei liegt der Schwerpunkt meiner Arbeitsgruppe auf der neuropathologischen Kaskade welche über die Schädigung der kleinsten Hirngefäße (zerebrale Mikroangiopathie) zu einer Verringerung des zerebralen Blutflusses sowie zur Beeinträchtigung des glymphatischen Systems bis hin zu allen Formen von Demenz führt. Hierzu untersuchen wir die Entstehung und Entwicklung dieser Erkrankung anhand von Tiermodellen und innerhalb einer am Standort Magdeburg rekrutierten Patientenkohorte. Auf Grundlage des erarbeiteten mechanistischen Verständnisses der Krankheitsprogression entwickeln wir neue Marker basierend auf multimodaler Bildgebung, Biofluiden und kognitiven Tests mit dem Ziel innovative Präventions-, Diagnose- und Therapieansätze zu abzuleiten.

Institut:Otto-von Guericke-Universität Magdeburg, Medizinische Fakultät

Project Title:B04 Einfluss hippokampaler Gefäßversorgungsmuster auf die neuronalen Ressourcen der neurokognitiven Verbindungen innerhalb des medialen Temporallappens

Gruppenmitglieder

Dr. Nadine Diersch

Erelle Fuchs

Dr. Berta Garcia Garcia

Dr. Solveig Jandke

SFB 1436 Mitglied Christoph Knoll

Christoph Knoll

Jonas Marquardt

Niklas Vockert

Dr. Nadine Diersch

Nadine Diersch ist wissenschaftliche Mitarbeiterin/Principal Investigator in der Altern, Kognition & Technologie Forschungsgruppe am DZNE Magdeburg. In ihrer Forschung beschäftigt sie sich mit altersbedingten Veränderungen während des Erlernens und Wiedererinnerns von räumlichen Informationen unter der Verwendung behavioraler Forschungsmethoden, Virtueller Realität (VR) Paradigmen, verschiedener Modellierungsmethoden sowie MRT Bildgebung. Vor kurzem hat sie die mobile App „Explore“ entwickelt, die GPS und Sensordaten aufzeichnet, während die Nutzer*innen eine Navigationsaufgabe in der realen Welt lösen, mit dem Ziel zu erforschen, inwieweit sich aus derartigen digitalen Daten gesundheitsrelevante Informationen ableiten lassen, um zwischen gesunden und pathologischen Altern zu differenzieren. Die App wird in dem B04 Projekt als Trainingstool verwendet werden, um den Einfluss hippokampaler Gefäßversorgungsmuster auf die neuronale Plastizität im Alter besser zu verstehen.

Dr. Berta Garcia Garcia

Berta Garcia-Garcia ist Nuklearmedizinerin. Während ihres Medizinstudiums wurde sie von der Abteilung für Anatomie, Histologie und Neurowissenschaften der Autonomen Universität Madrid angeworben, um sich mit den in der medizinischen Forschung am häufigsten verwendeten methodischen Verfahren vertraut zu machen, was zu einem fünfjährigen Kooperationsvertrag führte, der sich auf Ex-vivo-Gehirnkartierung konzentrierte. Später absolvierte sie eine Ausbildung zur Fachärztin für Nuklearmedizin in Pamplona (Spanien), wo sie dank der neuesten Zyklotrontechniken mit der auf Radioaktivität basierenden In-vivo-Bewertung des Gehirns vertraut gemacht wurde. Ihre aktuelle Arbeit findet am DZNE und am Universitätsklinikum Magdeburg statt. Unter anderem arbeitet sie aktiv in vielen Forschungsprojekten mit, vor allem in den Forschungsgruppen Multimodal Neuroimaging und Gemischte zerebrale Pathologien und kognitives Altern, wobei sie PET/MR-Studien mit verschiedenen Radiotracern durchführt und auch als Strahlenschutzbeauftragte tätig ist. Ihre Forschungsarbeit ist auf die Bewertung des Hirnstoffwechselspektrums vom normalen Altern bis zu den Risikostadien der Alzheimer-Krankheit und auf die Analyse der zerebralen Vaskularisierung in Bezug auf den kognitiven Status spezialisiert. Aufgrund der möglichen Implikationen des letzteren arbeitet sie derzeit an ihrer Dissertation zur Erlangung des Dr. med. Grades in Deutschland.

Dr. Solveig Jandke

Seit meiner Promotion im Bereich Neurowissenschaften arbeite ich als Postdoc in der Klinik für Neurologie der OvGU Magdeburg auf dem Gebiet der humanen/experimentellen zerebralen Mikroangiopathie. Wir untersuchen den Zusammenhang von Blut-Hirn-Schranken Störungen/ Gefäßwandschädigungen/ erweiterten perivaskulären Räumen mit Veränderungen der extrazellulären Matrix, Schäden der neurovaskulären Einheit und assoziierter (perivaskulärer) Inflammation. Zudem soll aufgedeckt werden, welche mikrovaskulären Reservemechanismen im Alterungsprozess und im akzelerierten Alterungsprozess (bei Hypertonie) eine Rolle spielen, und wie diese dann auf die Entwicklung anderer Pathologien (z.B. Alzheimer) und kognitive Defizite wirken.

Christoph Knoll

„Einfallsreichtum, Exzellenz und ständiges Lernen“ – diese drei Worte fassen meine Leidenschaft für das Gebiet der kognitiven Neurowissenschaften und der Sportwissenschaft zusammen. In meiner Doktorarbeit möchte ich ein Forschungsprofil im Bereich der kognitiven Neurowissenschaften und der mikrostrukturellen Bildgebung entwickeln, das die Gefäße im Gehirn und die damit verbundenen kognitiven Veränderungen untersucht. Ich strebe an, praktische Erkenntnisse über das beste räumliche Auflösungssystem der 7-Tesla-Magnetresonanztomographie zu gewinnen.

Jonas Marquardt

Seit Mai 2021 arbeite ich als Doktorand am DZNE im SFB Projekt B04. Ich habe ein abgeschlossenes Studium der Psychologie und interessiere mich besonders für Kognitions- & Neurowissenschaften. Thematisch beschäftige ich mich mit Neuroplastizität, räumlicher Orientierung, digitalen Markern für kognitive Gesundheit und maschinellem Lernen.

Niklas Vockert

Ich bin Doktorand am DZNE mit einem Hintergrund in mathematischer und computergestützter Modellierung von biologischen Prozessen. Generell untersuche ich Fragestellungen zum Konzept „Reserve“ (z.B. kognitive Reserve, Resistenz, Resilienz) in Bezug auf Altern und (neurodegenerative) Krankheiten mithilfe von multimodalen Bildgebungsverfahren des Gehirns. Mein Hauptaugenmerk liegt dabei auf dem Zusammenhang der Vaskularisation des Hippocampus mit verhaltensbezogenen Maßen sowie strukturellen und funktionellen Maßen aus MRT-Aufnahmen, die ich auch im Rahmen des Teilprojekts B04 in diesem SFB analysieren werde.

Warum liegt der Fokus auf dem medialen Temporallappen?

Im medialen Temporallappen (MTL) befindet sich unter anderem der Hippocampus und der anliegende entorhinale Cortex. Diese beiden Regionen formen einen neuronalen Schaltkreis, welcher maßgeblich an der Formation von Gedächtnisinhalten aber auch räumlicher Orientierung beteiligt ist. Der MTL ist zugleich besonders stark von sowohl normativen als auch pathologischen, altersbedingten Veränderungen betroffen. Die mit der Alzheimer Erkrankung im Zusammenhang stehende Tau Protein Akkumulation im MTL kann, unabhängig von Atrophie oder Beta-Amyloid Akkumulation, ca. 20% der Varianz hinsichtlich der episodischen Gedächtnisleistung bei gesunden, älteren Personen erklären (Maass et al., 2018). Noch ungeklärt ist jedoch, welche “neuronalen Ressourcen” die verbleibenden Unterschiede zwischen Personen erklären können.  Als “neuronale Ressource” bezeichnet werden generell Strukturen und/oder Vorgänge im Gehirn (wie z.B. verbesserter Blutfluss, Hirnvolumen, Myelin), welche sich auf die Kognition auswirken können und zwischen Personen variieren.

Ein vielversprechender Faktor:
Das hippocampale Vaskularisierungsmuster

Der Hippocampus kann sowohl von der Arteria choroidea anterior als auch von der Arteria cerebri posterior mit Blut versorgt werden, wie pathologische Untersuchungen zeigten (Erdem et al., 1993, Marinkovic et al., 1992). Der Hippocampus mancher Personen wird durch beide Arterien versorgt (erweiterte Versorgung), wohingegen der Hippocampus anderer nur durch eine Arterie (grundlegende Versorgung) versorgt wird, was mithilfe von hochauflösender Bildgebung im lebenden Menschen bestätigt wurde (Perosa et al., 2020; Spallazzi et al., 2019). Eine erweiterte Versorgung wurde mit einigen Vorteilen in Verbindung gebracht, unter anderem verbesserter kognitiver Leistungsfähigkeit und erhöhtes Volumen des Hippocampus (Perosa et al., 2020, Vockert et al., 2021). Die Forschungslage deutet darauf hin, dass die Vaskularisierung des Hippocampus eine Schlüsselrolle bei der altersbedingten Degeneration des MTL, dem kognitiven Abbau sowie der trainingsinduzierten Plastizität spielen könnte. Die zugrundeliegenden neuronalen Mechanismen sind jedoch unklar.

Die Ziele unseres Projektes

Das Hauptziel unseres Projektes ist die Charakterisierung der “neuronalen Ressourcen”, die dem positiven Effekt einer erweiterten im Vergleich zu einer grundlegenden vaskulären Versorgung des Hippocampus auf die kognitive Leistung zugrunde liegen. Dazu nutzen wir multi-modale bildgebende Verfahren wie Positronen-Emissions-Tomographie, 3 Tesla Magnetresonanztomographie (MRT) und 7 Tesla MRT. Unter anderem wird der Unterschied in der vaskulären Versorgung des Hippocampus auf die Myelinisierung bestimmter kortikaler Schichten im MTL und Volumenunterschiede sowie Unterschieden in der Durchblutung von MTL Arealen erforscht. Zusätzlich betrachten wir die Auswirkung der erweiterten im Vergleich zur grundlegenden Versorgung des Hippocampus auf das individuelle Lernverhalten. Desweiteren untersuchen wir, ob Personen mit einer erweiterten Versorgung im Vergleich zu einer grundlegenden Versorgung mehr von kognitivem Training profitieren. Bisher ist ebenfalls ungeklärt, wie sich das Vaskularisierungsmuster des Hippocampus auf neuronale Ressourcen und die kognitive Leistungsfähigkeit bei jüngeren Personen auswirkt, da in der bisherigen Forschung lediglich der Einfluss des hippocampalen Vaskularisierungsmuster bei älteren Personen untersucht wurde. Im Fokus unserer Forschung stehen die Konzepte Resilienz, Resistenz und neuronale Ressource.

Resilienz, Resistenz und neuronale Ressourcen

Das hippocampale Vaskularisierungsmuster könnte einen Einfluss auf verschiedenste neuronale Ressourcen haben, unter anderem das Volumen verschiedener Strukturen des MTL, das schichtspezifische Myelin, oder aber die Durchblutung von MTL Arealen. Wichtig ist zudem die Unterscheidung der zwei Konzepte Resilienz und Resistenz. Resistenz ist definiert als die Widerstandsfähigkeit gegenüber einer Pathologie (z.B. weniger Tau Proteinablagerungen), wohingegen Resilienz eine Erhaltung der kognitiven Leistungsfähigkeit im Angesicht des Vorhandenseins einer Pathologie beschreibt. Im Rahmen unseres Projektes möchten wir herausfinden, ob das hippocampale Vaskularisierungsmuster einen Faktor für Resistenz oder Resilienz darstellt.

Hippocampale Vaskularisierungsmuster bei jüngeren & älteren Erwachsenen

Der Einfluss des Vaskularisierungsmusters auf die kognitive Leistungsfähigkeit und neuronale Ressourcen wurde bisher lediglich bei älteren Personen untersucht  (Perosa et al., 2020; Vockert et al., 2021). Unser Ziel ist es nun, diese Effekte ebenfalls bei jüngeren Erwachsenen zu erforschen. Der Einfluss auf neuronale Ressourcen im MTL im Hinblick auf das Vaskularisierungsmuster bei Jüngeren soll mithilfe hochauflösender bildgebender Verfahren überprüft werden. Ein Fokus liegt auf der Blutversorgung bestimmter MTL Areale, auf der Myelinisierung bestimmter kortikaler Schichten und funktionellen neuronalen Netzwerken. Außerdem soll eruiert werden, inwieweit sich das hippocampale Vaskularisierungsmuster auf das Gedächtnis auswirkt und wie dieser potentielle Zusammenhang durch neuronale Ressourcen mediiert werden kann. Ähnliche Fragestellungen werden ebenfalls bei älteren Personen erforscht, jedoch wird zusätzlich die altersbedingte Alzheimer-Pathologie (Beta-Amyloid & Tau Protein) mit einbezogen. Dadurch soll herausgefunden werden, ob das hippocampale Vaskulariserungsmuster zu Resistenz (weniger Pathologie bei einer erweiterten Vaskularisierung) oder Resilienz (unveränderte Kognition in Anwesenheit von Pathologie bei einer erweiterten Vaskularisierung) führen kann. Nach zwei Jahren werden bestimmte Erhebungen bei einigen älteren Personen wiederholt, um zu untersuchen, inwieweit sich das hippocampale Vaskularisierungsmuster auf altersbedingte Veränderungen in der Kognition und auf Veränderungen der neuronalen Ressourcen auswirkt.

Hippocampale Vaskularisierungsmuster und traininginduzierte Veränderung 

Bei Demenzerkrankten sind häufig die Areale zuerst von neurodegenerativen Veränderungen betroffen, welche maßgeblich für die räumliche Orientierung verantwortlich sind (Braak & Del Tredici, 2015, Coughlan et al., 2018). Darauf stützend, planen wir mit den Proband*innen die Durchführung eines mehrwöchigen räumlichen Orientierungstrainings.

Bisher konnte gezeigt werden, dass ein Fitnesstraining über mehrere Monate sich positiv auf die Durchblutung des Hippocampus und das Gedächtnis bei älteren Personen auswirkt (Maass et al., 2015). Jedoch gab es große Unterschiede zwischen den Personen, welche eventuell durch altersbedingte Pathologie oder das hippocampale Vaskularisierungsmuster erklärt werden könnten. Daher steht unter anderem im Fokus unserer Forschung, wie sich diese Faktoren auf die trainingsinduzierte Plastizität des MTL und auf die kognitive Leistung bei Älteren auswirken. Wir wollen herausfinden, ob eine erweiterte im Vergleich zu einer grundlegenden vaskulären Versorgung des Hippocampus zu größeren kognitiven Verbesserungen durch das Training führt. Diese Erkenntnisse können später genutzt werden, um individuell zugeschnittene Trainings zu entwickeln.

Publikationen des Projektes B04