Dieser Gehirn Blackout startet eine Migräne

Dieses Video zeigt ein Bild der Ausbreitung depressionsverbreiteter Depolarisation in einem Rattenhirn. Das Bild oben zeigt eine sich ausbreitende Depression ohne jegliche Intervention. Das untere Bild zeigt eine sprunghafte Depression mit Stromeingriff. Das Feld breitet sich tiefer, aber nicht so weit auf der Oberfläche des Gehirns aus, wodurch das Fortschreiten der sich ausbreitenden Depression im Wesentlichen unterbrochen wird.

Forscher haben die für den Beginn von Migräne spezifische elektrische Aktivität identifiziert und einen Weg aufgezeigt, wie sie in Tierversuchen gestoppt werden kann.

"Krampfanfälle und Migräne sind zwei sehr unterschiedliche Zustände des Gehirns", sagt Steven J. Schiff, Professor für Ingenieurwissenschaften in den Abteilungen für Neurochirurgie, Ingenieurwissenschaften und Mechanik und Physik am Penn State.

"Wir fanden heraus, dass die sich ausbreitende Depolarisation, die man auch als Spreading Depression bezeichnet, bei Migräne ein fundamentales biophysikalisches Phänomen ist und man sie mit elektrischem Strom stoppen kann. Seltsamerweise ist es die entgegengesetzte Richtung des elektrischen Stroms, die verwendet wird, um Anfälle auszuschalten ", sagt Schiff.

"Die elektrische Aktivität im Gehirn, die die Aura verursacht, ist wie ein rollender Stromausfall ..."

Die Forscher haben Migräne nicht geheilt, aber sie sind näher am Verständnis des Mechanismus im Gehirn, die den Beginn oder die Auren dieser Kopfschmerzen verursacht, die etwa 10 Prozent der Männer und 22 Prozent der Frauen betreffen, nach dem Zentrum für Krankheit Steuerung.

Die Forscher führten Experimente durch, die durch computergestützte Modelle der Biophysik der Ausbreitung der Depolarisation motiviert waren, und demonstrierten erfolgreich die Modulation, Unterdrückung und Verhinderung der Ausbreitung von Depolarisation in Rattenhirnschnitten.

"Die elektrische Aktivität im Gehirn, die die Aura verursacht, ist wie ein rollender Stromausfall", sagt Andrew J. Whalen, Postdoktorand am Zentrum für Neuroinformatik der Universität. "Es ist nicht nur eine einzelne Zelle, sondern eine Kettenreaktion, die sich über das Gehirn bewegt und Schwellungen verursacht. Die Menschen brauchen eine Weile, um sich zu erholen."


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Viele Migränepatienten erleben zuerst diese visuelle Aura, bevor die Kopfschmerzen beginnen. Schiff und sein Team haben die elektrische Aktivität gezielt, die die Aura verursacht, die für den Beginn der Migräne von grundlegender Bedeutung ist.

Die optischen Bilder zeigen die Welle der sich ausbreitenden Depolarisation im Gehirn
Auf der linken Seite zeigen die optischen Bilder die Welle der sich ausbreitenden Depolarisation im Gehirn; in der Mitte zeigt das Bild das Beschleunigen und Zeichnen auf die Oberfläche der Welle mit negativem Strom; und rechts zeigt das Bild die Begrenzung der Welle bei Stillstand der Ausbreitung, rechts.
(Credit: Schifflabor / Penn State)

Forscher wissen, dass eine Änderung der Salzkonzentration im Gehirn die elektrischen Prozesse des Gehirns verändern kann. Durch die Veränderung der Kaliumkonzentrationen im Gehirn könnten die Forscher eine Ausbreitung der Depolarisation auslösen.

Die beteiligten Gehirnzellen haben einen zentralen Körper namens Soma und einen langen, antennenartigen Arm, der Dendrit genannt wird. Die beiden Enden erlauben es den Forschern, die Zellen mit einem elektrischen Strom zu polarisieren - positive Ladungen sammeln sich an einem Ende und negative Ladungen sammeln sich am anderen Ende an. Dies ermöglicht ihnen, einen elektrischen Strom zu verwenden, um zu versuchen, die Gehirnzellenaktivität zu modulieren.

"... wir können es mit einem Strom schlechter machen und wir können es mit dem Gegenstrom besser machen ..."

"Wir dachten, wenn wir die Anfangsphase, die Aura, aufhörten, würden wir den Rest stoppen", sagt Schiff. "Wir haben schließlich herausgefunden, dass die Ladung, die notwendig ist, um die sich ausbreitende Depression zu stoppen, entgegengesetzt zu dem war, was wir angenommen haben. Sobald wir die entgegengesetzte Ladung gewählt hatten, hörte der Fortschritt der Phänomene auf. Das alles ergab letzten Endes Sinn, da Anfälle und Migräne an den entgegengesetzten Enden der Gehirnzellen beginnen. "

Die Forscher konnten eine positive Ladung nutzen, um die Ausbreitung der Polarisation zu stoppen. Die Abbildung der Rattenhirnschnitte zeigt, dass sich die Migräneaktivität tiefer in das Gehirn bewegt, wo sie sich nicht mehr fortpflanzen kann, was die Episode effektiv beendet.

"Wir haben ein biophysikalisches Verständnis entwickelt und es gilt für die grundlegende Physiologie der Aura, und wir können es mit einem Strom verschlimmern, und wir können es mit dem entgegengesetzten Strom besser machen", sagt Schiff.

Eine derartige Polarisierung kann im menschlichen Gehirn sicher durchgeführt werden, und diese Strategie kann in klinischen Studien mit Migränepatienten getestet werden. Die vollständige Migräne, die von Patienten erfahren wird, wird jedoch nach der anfänglichen Aura komplizierter.

"Man möchte in der Lage sein, das Gehirn so zu reparieren, dass es nicht anfällig für Migräne oder Krampfanfälle ist", sagt Bruce J. Gluckman, Professor für Ingenieurwissenschaften und Mechanik, Neurochirurgie und Bioingenieurwesen und stellvertretender Direktor des Center for Neural Engineering. "Migräne nicht kontrollieren oder Depressionen verbreiten, wenn es einmal begonnen hat. Vorerst ist dies ein fundamentales Ergebnis, das uns näher daran bringt, für diesen Zustand in einer wichtigen Weise eingreifen zu können. "

Die Forschung erscheint in Wissenschaftsberichte.

Forscher von der Universität für Elektronische Wissenschaft und Technologie Chinas; Penn State; und Humboldt-Universität zu Berlin, Deutschland, trug ebenfalls zu der Arbeit bei.

Die US-deutsche kollaborative Forschung in Computational Neuroscience Programm der National Institutes of Health; das Bundesministerium für Bildung und Forschung; Die BRAIN-Initiative der National Institutes of Health unterstützte diese Arbeit. Die Forscher haben für diese Arbeit ein vorläufiges Patent angemeldet.

Quelle: Penn State

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