Killerwellen vom Ozean ins Gehirn

12. November 2009 von Markus A. Dahlem in Schlaganfall

Nach Tsunamis werden nun auch Wellen in Folge von Hirnblutungen als Killerwellen bezeichnet. Vom Standpunkt einer nüchternen mathematischen Beschreibung haben diese Wellen so viel gemeinsam wie Wasser und graue Substanz. Ein wissenschaftlicher Durchbruch sind diese Tsunamis im Gehirn trotzdem.

1997 brachte National Geographic den Film "Killer Wave: Power of the Tsunami" heraus. Doch erst in der Weihnachtszeit 2004 wurde ein Tsunami Vorlage für Filme, die den Begriff Killerwelle öffentlich geprägt haben. In Deutschland waren wir sogar Vorreiter. Der 2006 vom US-amerikanischem Bezahlfernsehn HBO produzierte Fernsehfilm "Tsunami – Die Killerwelle" hieß im Original noch "Tsunami: The Aftermath". HBO war mit anderen Titeln wie "Sex and the City" nicht zimperlich, aber erst 2007 kam dann "Killer Wave" als amerikanische Miniserie von anderen Produzenten. Soweit, so verständlich.

Nature Medicine, eine renomierte Fachzeitschrift, veröffentlicht nun einen Artikel "Killer waves of depolarization in subarachnoid bleed (doi:10.1038/nm1009-1131). Bei einer speziellen Form des Schlaganfalls, der Subarachnoidalblutung, entstehen oft mit Tagen Verspätung noch neuronale Zusammenbrüche, die sich als Welle im gefährdeten Gehirngewebe ausbreiten. Es scheint als könne dieser Welle den bereits toten Infarktbereich umkreisen und ihn dabei mit jedem Umlauf durch eine zusätzliche Minderdurchblutung ein wenig vergrößern. Dies endet dann oft tödlich. Daher der Begriff Killerwellen.

In dem Buch "Mit einem Schlag" (Droemer/Knaur) wird eine ähnlich spezielle Form des Schlaganfalls von der Autorin und Neurologin Jill Taylor hautnah beschrieben. Insbesondere wie die Autorin durch ihren Schlaganfall neue Dimensionen ihres Bewusstseins entdeckt. Taylor hat überlebt, obwohl ihre Chancen schlecht standen. Im englischen Original wurde Taylors Buch ein New York Times Bestseller.

Taschenbücher und Filmserien sind Indikatoren für das öffentliche Interesse. Ich selbst habe in Interviews diese Welle im Kopf (Technology Review), die auch bei Migräne auftritt – dort zum Glück aber in einer harmlosen Variante –, mit einer La-Ola-Welle verglichen. Klingt ungefährlich, ja fröhlich. Ich kann verstehen, dass dies keine nahliegende Assoziation ist, wenn es um Migräne geht oder gar um oft tödlich verlaufende Hirnblutungen. Vom mechanistischen Standpunkt ist der Vergleich aber durchaus richtig (siehe Fussnote). 

Wie im Stadion Fußballfans ihre Erregung durch Aufspringen und Hinsetzen ihren Sitznachbarn weitergeben, so läuft im Gehirn von Zelle zu Zelle eine Übererregung durch die Hirnwindungen in dessen Folge die Nervenzellen zusammenbrechen (vollständig depolarisieren). Ob sie sich davon erholen können oder absterben ist eine Frage des kritischen Ausmasses der Störungen der lokalen Blutversorgung. Bei Migräne liegt keine äußere Störung vor. Die Erholung erfolgt – nun ja  – nicht wirklich problemlos, da die Welle zu Kopfschmerzen führt, aber zumindest erfolgt die Erholung vollständig, ohne bleibende Schäden im Gehirngewebe. Beim Schlaganfall ist dies anders, wie insbesondere Jens Dreier vom Centrum für Schlaganfall-Forschung Berlin herausfand (Zeitschrift Brain, doi:10.1093/brain/awp102).

Ein Tsunami-Mechanismus ist aber beim Schlaganfall nicht am Werk, auch wenn von meinen Kollegen gerne die Metapher "Tsunami im Gehirn" verwendet wird. Man stelle sich zwei Tsunamis vor, die aufeinander zulaufen. Diese zwei Wellen würden sich durchdringen und weiterlaufen, zwei La-Ola-Welle hingegen nicht. La-Ola-Wellen löschen sich bei Kollision gegenseitig aus. Das ist ein Unterschied, der tief in einer mathematischen Beschreibung dieser Phänomene verankert ist.

Zusammen mit Jens Dreier, Rudolf Graf (Max-Planck-Institut für neurologische Forschung, Köln) und weiteren Kollegen haben wir nun in der Physikzeitschrift Physica D (doi:10.1016/j.physd.2009.08.009) ein mathematisches Gerüst entwickelt, um die kreisende Wellenausbreitung und andere Formen der Wellenausbreitung auf der Hirnrinde genau zu beschrieben. Ganz in Sinne der Beschreibung einer Krankheit als dynamische Krankheit (siehe Blogpost Geist einer Sattel-Knoten-Verzweigung). Wir wollen ein mathematisches Verständnis gewinnen, welches uns neue Therapieansätze aufzeigt. Also Ansätze wie dynamische nichtlineare Prozesse zu steuren sind, um gewünschte Zielzustände zu erreichen, z.B. die Stabilisierung des Gewebes um einen Infarktbereich.

Ich will also keineswegs vorschlagen, diese tödlichen Wellen in Zukunft nur noch La-Ola-Wellen zu nennen aufgrund einer mathematischen Spitzfindigkeit. Aber sobald wir Anfangen über den Mechanismus dieser Wellen nachzudenken, muß die Metapher Tsunamis im Gehirn beiseite gelegt werden. Hier stört der Begriff.

Fussnote:

Physiker ordnen Wellen in Kategorien ein, vielleicht vergleichbar mit dem, wie Biologen Moleküle einteilen. Kategorien wären in diesem Fall Neurotransmitter, Ionenkanäle, und so weiter. Beispiele wären Serotonin bzw. der schnelle Natriumkanal. Physiker sprechen bei Wellen von Lawinen, Solitonen und so weiter. Beispiele sind hier die Schneelawine bzw. ein Tsunami. 

Kategorien können auf mechanistischen, funktionellen oder anderen Unterschieden basieren, was oft nicht gleich ersichtlich ist. Bis heute kenne ich zum Beispiel nicht genau den Unterschied zwischen Obst und Gemüse. Ob eine Metapher schrägt klingt, hängt stark davon ab, wie weit einem diese der Kategorie zugrundeliegende Basis vertraut ist.

 


3 Kommentare zu “Killerwellen vom Ozean ins Gehirn”

  1. Elmar Diederichs Antworten | Permalink

    @Markus Dahlem:pdf

    Es scheint, also würde im Netz keine freie Version des zitierten Artikels bereitstehen. Habe ich vielleicht einen link auf irgendeinen preprint übersehen?

    Denn "mathematisches Gerüst" ist so wenig informativ, daß ich das mal nachlesen möchte.

    Danke. :-)

  2. Monika Armand Antworten | Permalink

    Interessanter Beitrag

    spannend und verständlich ;-)...noch ne Frage hätte ich dazu: wie kommt man von einer Berechnung dessen was passiert zu einem Therapieansatz? Ist dies nicht noch schöne, irreale Zukunftsmusik?

  3. Markus Dahlem Antworten | Permalink

    Zukunftsmusik und pdf

    Gerne sende ich interessierten Lesern eine Autorenkopie als pdf-Datei auf Email-Anfrage (kurz und formlos an dahlem@physik.tu-berlin.de). Ich glaube ich darf aus rechtlichen Gründen die Datei nicht ins Netz stellen.

    Zukunftsmusik ist es nicht, wenn aus mathematischen Modellen Therapieansätze werden.

    Peter Tass und Volker Sturm, zum Beispiel, entwickeln und testen einen neuartigen Hirnschrittmacher zur Behandlung von Parkinson, der schonender und vor allem effektiver arbeiten soll. Der Hirnschrittmacher wird zurzeit klinisch getestet. Die Idee für die schonende und zugleich effektive Wirkungsweise kommt allein aus der Mathematik, oder, um genauer zu sein, aus der Synergetik, einem Teilgebiet der theoretischen Physik.

    Oder ein anderes Beispiel. In einem Zentrum in Freiburg, dem Bernstein Focus Neurotechnology, wird an implantierbaren Sensoren für Migräne geforscht.

    Zu guter Letzt habe wir recht konkrete Vorstellungen für Schlaganfall auf den Preprint Server von Nature gestellt: http://precedings.nature.com/documents/3408/version/1.

    Aber es liegt schon noch ein Stück Arbeit vor uns.

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