Mit Big Data Alzheimer auf der Spur

Eine Webplattform, die mit Hirnscandaten Tausender Menschen jeden Alters und Gesundheitszustandes gespeist wurde, zeigt die Veränderungen in der Gehirnstruktur, die den Beginn der Alzheimer-Krankheit beim Menschen unter 40 Jahren markieren – lange bevor die typischen Anzeichen erkennbar werden.

Die Früherkennung der Alzheimer-Demenz ist schwierig, da es an Langzeitdaten dazu mangelt, wie sich die Erkrankung über die Lebensspanne entwickelt. Um diese Wissenslücke zu schließen, wählte ein französisch-spanisches Forschungsteam einen neuen Ansatz: Durch die Analyse des Gehirnvolumens von mehr als 4000 Probanden über eine Big-Data-Plattform erstellten die Wissenschaftler Modelle der Lebenserwartung von Alzheimer-Patienten und nicht Erkrankten, um genau zu identifizieren, wie und wann Anomalien in den Gehirnstrukturen auftauchen.

Im Mittelpunkt des Projektes steht volBrain: ein Big-Data-Processing Tool, das aus einer früheren französisch-spanischen Zusammenarbeit entstanden ist. Als die Technik zur automatischen Analyse von MRT-Aufnahmen entwickelten, beschlossen sie, „eine Open-Access-Webplattform einzurichten, damit möglichst viele Forscher weltweit kostenlos davon profitieren können”, berichtet die französische Hälfte des Duos. Seit 2015 laden Anwender auf allen Kontinenten Brain-Scan-Daten auf die Plattform, die bisher automatisiert verarbeitet wurden.

Im Rahmen einer Studie, die den Zusammenhang zwischen Gefäßerkrankungen und Demenz untersuchte, bemerkten die Forscher, dass die Hippocampi der Probanden, die am Ende Alzheimer entwickelten, sieben Jahre vor der Diagnose Unterschiede im MRT aufwiesen. Da für diese Probanden keine Daten über die gesamte Lebensspanne vorliegen, war es den Forschern nicht möglich, die Entwicklung der beobachteten Pathologie zu verfolgen. “Wir haben diese Trajektorie aus Massen von Einzelbildern von Menschen jeden Alters rekonstruiert”, sagte Pierrick Coupé vom Laboratoire Bordelais de Recherche en Informatique in Bordeaux, Frankreich. “Dazu haben wir auf mehrere Open-Access-Datenbanken zurückgegriffen, um Daten von mehr als 4000 Kontrollpersonen und Patienten mit Alzheimer zu erhalten, die wir zu einer sehr großen Datenbank zusammengeführt haben.”

Nachdem die Forscher die Gehirnstrukturvolumina aller Probanden mit dem volBrain-Tool gemessen hatten, fütterten sie die Daten in zwei separate Modelle. Erstens, ein Modell der “normalen” Gehirnentwicklung, das 2944 gesunde Probanden im Alter von 9 Monaten bis 94 Jahren widerspiegelt. Zweitens, ein Modell der durchschnittlichen Wirkung von Alzheimer auf das Gehirn, basierend auf Daten von 1385 Betroffenen im Alter von 55 bis 96 Jahren, gepaart mit Daten von 1877 jüngeren Probanden, die auch dem ersten Modell angehörten, unter der Annahme, dass die Kindheit und das frühe Erwachsenenalter beider Bevölkerungsgruppen wahrscheinlich ähnlich sind.

Vergleiche der beiden Modelle zeigten, welche Gehirnbereiche bei den an Alzheimer erkrankten Menschen betroffen sind – und auch wann. Auf diese Weise identifizierte die Studie die bislang frühesten Biomarker, die die Entwicklung der Krankheit signalisieren, nämlich die Atrophie des Hippocampus im Alter von 40 Jahren, gefolgt von der Volumenabnahme der Amygdala im Alter von etwa 40 Jahren. Die Ergebnisse deuten auch auf eine Vergrößerung der Seitenventrikel im Alter von etwa 40 Jahren hin.  Da eine solche Vergrößerung aber auch bei älteren gesunden Probanden auftrat, ist sie als Indikator für Alzheimer, insbesondere bei älteren Menschen, weniger aussagekräftig.

Die Forscher glauben, dass ihre Ergebnisse die Kosten für Studien an Alzheimer-Medikamenten senken und damit deren Erforschung fördern könnte. Darüber hinaus bestätige die Studie den Nutzen der Entwicklung von volBrain – das derzeit nur der Grundlagenforschung dient – als diagnostisches Instrument. Tatsächlich biete Bid-Data-Plattform durch die Messung des Volumens der Gehirnstruktur eine wertvolle quantitative Grundlage, um Diagnosen abzusichern, “während Kliniker dazu neigen, nur qualitative visuelle Beurteilungen von MRTs vorzunehmen”, sagte Gwenaëlle Catheline vom Institut de Neurosciences Cognitives et Intégratives d’Aquitaine in Bordeaux, Frankreich.

Das Forscherteam selbst untersucht weiter die Wirkung von Alzheimer auf die Gehirnstrukturen. Die neuesten Software-Entwicklungen des Teams, so Coupé, beinhalten “ein Modul, das die Teilbereiche des Hippocampus analysieren kann, um die Veränderungen zu verfolgen”. “Verschiedene Teile des Hippocampus scheinen von der Krankheit unterschiedlich betroffen zu sein”, erklärte Catheline. “Indem wir unsere Big Data-Studien auf einer feineren Analyseskala fortsetzen, hoffen wir, mehr über die Entwicklung dieser Pathologie zu erfahren”, schloss sie.

Originalpublikation:
Coupé P. et al.: Lifespan changes of the human brain in Alzheimer’s disease. Scientific Reports 2019:9(1):3998.