Ein Schlaganfall löst eine verborgene Veränderung im Gehirn aus, die einer Verjüngung ähnelt

Eine neue Studie in The Lancet Digital Health legt nahe, dass das Gehirn auf einen Schlaganfall auf überraschende Weise reagieren kann. Forscher des USC Mark and Mary Stevens Neuroimaging and Informatics Institute (Stevens INI) fanden heraus, dass Menschen mit schweren körperlichen Beeinträchtigungen nach einem Schlaganfall in nicht geschädigten Bereichen Anzeichen einer „jüngeren“ Gehirnstruktur aufweisen können. Dies scheint zu zeigen, wie sich das Gehirn nach einer Schädigung anpasst und neu organisiert.

Was passiert bei einem Schlaganfall?

Ein Schlaganfall entsteht, wenn die Blutversorgung eines Teils des Gehirns plötzlich unterbrochen oder stark eingeschränkt ist. Dadurch erhalten die Nervenzellen nicht mehr genügend Sauerstoff und Nährstoffe, was dazu führt, dass sie bereits nach wenigen Minuten beginnen abzusterben. In den meisten Fällen wird ein Schlaganfall durch ein verstopftes Blutgefäß verursacht, etwa durch ein Blutgerinnsel, das den Blutfluss blockiert. Seltener liegt die Ursache darin, dass ein Blutgefäß im Gehirn platzt und es zu einer Blutung kommt, die das umliegende Gewebe schädigt.

Die Folgen hängen davon ab, welche Region des Gehirns betroffen ist. Häufig treten plötzlich Lähmungen oder Schwäche auf einer Körperseite auf, zum Beispiel im Arm oder im Gesicht, was sich durch einen hängenden Mundwinkel zeigen kann. Auch Sprachprobleme, Sehstörungen, Schwindel oder starke Kopfschmerzen können auftreten. Weil das Gehirn sehr empfindlich ist und sich geschädigte Nervenzellen kaum regenerieren, zählt bei einem Schlaganfall jede Minute. Je schneller die medizinische Behandlung erfolgt, desto größer ist die Chance, bleibende Schäden zu verhindern oder zu verringern. Deshalb ist ein Schlaganfall immer ein akuter Notfall, bei dem sofort Hilfe gerufen werden sollte.

KI deckt Umstrukturierung des Gehirns nach einem Schlaganfall auf

Die Forschung wurde im Rahmen der ENIGMA-Arbeitsgruppe (Enhancing NeuroImaging Genetics through Meta-Analysis) zur Schlaganfall-Genesung durchgeführt. Die Wissenschaftler analysierten Gehirnscans von mehr als 500 Schlaganfallpatienten, die in 34 Forschungszentren in acht Ländern gesammelt wurden. Durch die Anwendung von Deep-Learning-Modellen, die anhand von Zehntausenden von MRT-Scans trainiert wurden, schätzte das Team das „Gehirnalter“ verschiedener Regionen in jeder Hemisphäre und untersuchte, wie sich ein Schlaganfall sowohl auf die Struktur als auch auf die Genesung auswirkt. „Wir haben festgestellt, dass schwerere Schlaganfälle die Alterung in der geschädigten Gehirnhälfte beschleunigen, die gegenüberliegende Seite des Gehirns jedoch paradoxerweise jünger erscheinen lassen“, sagte Dr. Hosung Kim, außerordentlicher Professor für Forschungsneurologie an der Keck School of Medicine der USC und einer der leitenden Autoren der Studie. „Dieses Muster deutet darauf hin, dass sich das Gehirn möglicherweise neu organisiert und im Wesentlichen die unbeschädigten Netzwerke verjüngt, um den Funktionsverlust auszugleichen.“

Zur Durchführung der Analyse nutzten die Forscher eine Art künstlicher Intelligenz, die als graphisches Faltungsnetzwerk bezeichnet wird. Dieses System schätzte das biologische Alter von 18 Hirnregionen auf der Grundlage von MRT-Daten. Anschließend verglichen sie dieses vorhergesagte Alter mit dem tatsächlichen Alter jeder Person – ein Maß, das als „brain-predicted age difference“ (brain-PAD) bekannt ist und als Indikator für die Gehirngesundheit dient.

Als diese Messungen des Gehirnalter mit den Werten der motorischen Funktionen verglichen wurden, zeigte sich ein klares Muster. Schlaganfallpatienten mit schweren Bewegungsbeeinträchtigungen wiesen selbst nach mehr als sechs Monaten Rehabilitation in Regionen gegenüber der Verletzungsstelle ein jüngeres Gehirnalter auf als erwartet. Dieser Effekt war besonders ausgeprägt im frontoparietalen Netzwerk, das eine wichtige Rolle bei der Bewegungsplanung, Aufmerksamkeit und Koordination spielt.

„Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich unbeschädigte Regionen auf der gegenüberliegenden Seite des Gehirns anpassen können, um einen Ausgleich zu schaffen, wenn Schlaganfallschäden zu einem größeren Bewegungsverlust führen“, erklärte Kim. „Wir beobachteten dies im kontralateralen frontoparietalen Netzwerk, das ein ‚jugendlicheres‘ Muster aufwies und bekanntermaßen die Bewegungsplanung, Aufmerksamkeit und Koordination unterstützt. Anstatt auf eine vollständige Wiederherstellung der Bewegungsfähigkeit hinzudeuten, spiegelt dieses Muster möglicherweise den Versuch des Gehirns wider, sich anzupassen, wenn das geschädigte motorische System nicht mehr normal funktionieren kann. Dies eröffnet uns eine neue Sichtweise auf Neuroplastizität, die mit herkömmlichen bildgebenden Verfahren nicht erfasst werden konnte.“

Auf dem Weg zu einer personalisierten Schlaganfall-Genesung

Die Studie stützte sich auf ENIGMA, eine globale Zusammenarbeit, die Daten aus mehr als 50 Ländern zusammenführt, um das Gehirn unter verschiedenen Bedingungen besser zu verstehen. Durch die Standardisierung von MRT-Daten und klinischen Informationen vieler Forschungsgruppen schuf das Team den größten Neuroimaging-Datensatz seiner Art zum Thema Schlaganfall.

„Durch die Zusammenführung von Daten von Hunderten von Schlaganfallpatienten weltweit und den Einsatz modernster KI können wir subtile Muster der Umstrukturierung des Gehirns erkennen, die in kleineren Studien unsichtbar blieben. Diese Erkenntnisse über regional unterschiedliche Alterungsprozesse des Gehirns bei chronischem Schlaganfall könnten letztendlich als Grundlage für personalisierte Rehabilitationsstrategien dienen“, sagte Dr. Arthur W. Toga, Direktor des Stevens INI und Provost Professor an der USC.

Die Forscher planen, diese Arbeit fortzusetzen, indem sie Patienten über einen längeren Zeitraum hinweg begleiten – von den frühen Phasen nach einem Schlaganfall bis hin zur langfristigen Genesung. Die Verfolgung der Entwicklung von Alterungsmustern und strukturellen Veränderungen im Gehirn könnte Ärzten helfen, Behandlungen auf den individuellen Genesungsprozess jeder Person zuzuschneiden, mit dem Ziel, die Ergebnisse und die Lebensqualität zu verbessern. Die Studie „Deep-Learning-Vorhersage des MRT-basierten regionalen Gehirnalterungsgrades deckt kontralaterale Neuroplastizität auf, die mit schweren motorischen Beeinträchtigungen bei chronischem Schlaganfall assoziiert ist.