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
Prof. Dr. Esther Kühn
Prof. Dr. Anne Maass
Prof. Dr. med. Stefanie Schreiber
Gruppenmitglieder
Dr. Nadine Diersch
Erelle Fuchs
Dr. Berta Garcia Garcia
Dr. Solveig Jandke
Christoph Knoll
Jonas Marquardt
Niklas Vockert
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.
