Verband gezien in de hersenen tussen epileptische aanvallen en
migraine
Epileptische aanvallen en migraine zijn altijd
beschouwd als afzonderlijke fysiologische gebeurtenissen in de
hersenen maar nu hebben een team van ingenieurs en
neurowetenschappers naar de hersenen gekeken vanuit natuurkundig
standpunt en ontdekt dat er een verband is tussen deze
verschijnselen.
Wetenschappers geloofden dat deze twee
hersenaandoeningen aparte verschijnselen waren omdat zij uitwending
verschillende gevolgen hebben. Epilepsie aanvallen worden gekenmerkt
door elektrische hyperactiviteit waar migraine aura’s gebaseerd zijn
op een onderliggend proces genaamd verspreidingsdepressie en
gekenmerkt worden door een onderdrukking van elektrische activiteit
van de hersenen. Epilepsie aanvallen verspreiden zich snel, terwijl
migraine zich langzaam propageert.
"We wilden een meer realistisch model van wat er
ten grondslag ligt aan migraine," aldus Steven J. Schiff, Brush
Chair Professor of Engineering en directeur van de Penn State Center
for Neural Engineering. "We realiseerden ons dat niemand ooit het
juiste spoor had gevolgd van de neuronenenergie die wordt gebruikt
en van de ionen, de geladen atomen, die in en uit de hersencellen
gaan."
Kalium en natrium helpen de ionen de stroom te
regelen in de hersenen. De Penn State onderzoekers voegden
fundamentele fysica principes van behoud van energie, lading en
massa toe aan een oudere theorie. Zij hielden de energie bij die
nodig is om een zenuwcel actief te houden en telden de ionen die in
en uit de cellen gingen.
De hersenen hebben een constante toevoer van
zuurstof nodig om alles actief te houden omdat zij de ionen terug
door de celmembranen moeten sturen na elke elektrische piek. De
energievoorziening is direct gekoppeld aan zuurstofconcentraties
rond de cel en de energie die nodig is om de ionen terug te sturen
naar hun juiste plaats is veel groter na aanvallen van migraine.
"We weten dat sommige mensen zowel epileptische
aanvallen als migraine krijgen”, aldus Schiff. “Het is zeker dat
dezelfde hersencellen deze verschillende gebeurtenissen produceren
en we hebben nu een toenemend aantal voorbeelden van enkele
genmutaties die zowel epilepsie als migraine kunnen veroorzaken bij
dezelfde patiënten en families. Achteraf gezien was het verband
duidelijk maar we begrepen het niet ".
De onderzoekers waaronder Yina Wei, recente Penn
State Ph.D. in de technische wetenschappen en de mechanica,
momenteel postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van
Californië-Riverside en Ghanim Ullah, voormalige Penn State postdoc,
nu professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Zuid-Florida,
onderzochten bij uitbreiding oudere modellen van de activiteit van
hersencellen met behoud van de basisprincipes. Ze werden gemotiveerd
door vorige Penn State experimenten die de zeer gevoelige schakel
tussen zuurstofconcentratie toonde bij betrouwbare en snelle
veranderingen in het gedrag van de zenuwcel.
Wat ze vonden was geheel onverwacht. Het toevoegen
van basis behoudsprincipes aan de oudere modellen toonde direct aan
dat pieken, epileptische aanvallen en gespreide depressies allemaal
deel uitmaakten van een spectrum van zenuwcel gedrag. Tientallen
jaren van waarnemingen van verschillende verschijnselen in de
hersenen toonden een gemeenschappelijk onderliggend verband aan.
"We hebben binnen één enkel model van de biofysica
van neuronale membranen een breed scala van experimentele
waarnemingen gevonden, van pieken tot epileptische aanvallen en
gespreide depressies," rapporteren de onderzoekers in een recent
nummer van het Journal of Neuroscience. "We zijn in het bijzonder
getroffen door de eenwording die mogelijk is tussen de dynamiek van
de aanvallen en gespreide depressie."
Terwijl het aanvankelijk de bedoeling was om de
biofysica van de hersenen beter te modelleren, was het verband van
de aanvallen en de gespreide depressie een opkomende eigenschap van
het model, volgens Schiff.
"Niemand, noch wij noch onze collega's verwachtte
een dergelijke vaststelling," aldus Schiff. "Maar we zagen
onmiddellijk de resultaten en we werkten intensief om de integriteit
van dit resultaat op vele manieren te testen en vonden hoe robuust
het was. Hoewel de wiskunde complex is, lijkt de koppeling van deze
verschijnselen zeer solide.”
De mogelijkheid om een beter inzicht te krijgen
over het verschil tussen normale en pathologische activiteit in de
hersenen kan leiden tot de mogelijkheid om te voorspellen wanneer
een aanval zal optreden.
"We zijn niet alleen geïnteresseerd in de controle
van epilepsie of migraine maar we willen graag manieren zoeken om de
hersenen in normale bedrijfsomstandigheden te stabiliseren en
dergelijke verschijnselen te voorkomen," aldus Schiff. "Dit soort
eenvormigheidsraamwerk geeft ons nu de mogelijkheid om fundamenteel
te begrijpen hoe de normale en pathologische hersenenactiviteit
verband houden met elkaar. Wij en onze collega's hebben veel werk de
komende jaren om verder te gaan met ons onderzoek gebaseerd op deze
bevindingen.”
Vertaling: Andre Teirlinck
