Während des Tiefschlafs fließt eine wasserähnliche Flüssigkeit durch das Gehirn und spült Stoffwechselabfälle weg, die mit Krankheiten wie Alzheimer in Verbindung stehen. Dieses erstmals 2012 von der Neuropionierin Maiken Nedergaard beschriebene glymphatische System ist in lebenden Menschen weiterhin notorisch schwer zu untersuchen — vor allem die Frage, wie schnell sich die Flüssigkeit tatsächlich bewegt.
Nun hat ein internationales Team unter der Leitung der University of Rochester diese Frage mit Hilfe physik-informierter künstlicher Intelligenz beantwortet. In einer in Science Advances veröffentlichten Studie trainierten die Forscher neuronale Netze mit Videos, die die Ausbreitung eines Farbstoffs im Hirngewebe zeigen, und nutzten die KI anschließend, um aus MRT-Daten Fließgeschwindigkeiten zu berechnen — etwas, das herkömmliche MRT bei so langsamen Strömungen nicht leisten kann.
Die Ergebnisse zeigen zwei sehr unterschiedliche Wege. In offenen Bereichen nahe der Gehirnoberfläche, zwischen Schädel und Gehirn, bewegt sich die Flüssigkeit mit einigen Mikrometern pro Sekunde. Tief im Hirngewebe ist sie jedoch etwa 50-mal langsamer unterwegs.
"Die Unterschiede in der Fließgeschwindigkeit waren dramatisch", sagt Douglas Kelley, Professor für Maschinenbau in Rochester und Seniorautor der Studie, an der auch Forscher der Brown University und der Universität Kopenhagen beteiligt waren. "Wenn man das gesamte Gehirn abbilden will, ist die MRT ein großartiger Ansatz — aber sie erfasst die Fließgeschwindigkeit nicht, zumindest nicht bei so langsamen Strömungen."
Das Team nutzt derzeit Mäuse, um Basiswerte für den normalen Flüssigkeitsfluss zu ermitteln und die KI-Werkzeuge zu verbessern. Das langfristige Ziel ist die Übertragung der Methode auf Menschen: Die Messung der Flüssigkeitszirkulation in und um ein menschliches Gehirn könnte es Klinikern ermöglichen, Zirkulationsprobleme im Zusammenhang mit Alzheimer zu erkennen, früh im Leben nach schwacher Zirkulation zu screenen oder zu prüfen, ob eine Gehirnerschütterung das Reinigungssystem des Gehirns gestört hat.
"Wir hoffen, eines Tages erkennen zu können, ob ein Alzheimer-Patient eine schlechte Zirkulation im Gehirn hat, oder sogar früh im Leben nach schlechter Zirkulation zu screenen, um Alzheimer abzuwenden", sagt Kelley. "Diese Studie bringt uns einen Schritt näher." Die Forschung wurde vom NIH National Center for Complementary and Integrative Health und der NIH BRAIN Initiative unterstützt.
