Das biologische Alter des Gehirns

Mit ihrem BrainAGE-Verfahren können Wissenschaftler des Universitätsklinikums Jena auf der Grundlage von MRT-Daten das biologische Alter des Gehirns bestimmen. Als gut handhabbarer Biomarker ist es ein Maß dafür, wie stark sich schädliche Einflüsse wie vorgeburtlicher Stress und Mangelernährung oder Erkrankungen wie Altersdiabetes auf die Hirnreifung bzw. neurodegenerative Prozesse im Hirn auswirken.

Jena (UKJ/ vdG) Über vier Jahre beträgt die durchschnittliche vorzeitige Alterung des Gehirns einer Gruppe von männlichen Senioren, deren Mütter im holländischen Hungerwinter 1944/45 in der Frühschwangerschaft waren. Dies ist das Ergebnis einer Studie der Jenaer Wissenschaftler gemeinsam mit Kollegen aus Amsterdam. Dabei ermittelten sie das biologische Hirnalter der ehemaligen Hungerwinterbabies im Vergleich zu vor diesem Winter Geborenen und zu einer Gruppe von Personen, die erst nach dem Winter gezeugt wurden. Die insgesamt 118 Probanden waren zum Zeitpunkt der Untersuchung 65 bis 70 Jahre alt.

„Uns überrascht die Deutlichkeit des Ergebnisses in der Männergruppe“, so die Studienleiterin Dr. Katja Franke. Die 39-jährige Psychologin arbeitet in der „Structural Brain Mapping Group“ an der Klinik für Neurologie des Universitätsklinikums Jena. „Erstaunlicherweise wiesen weder geringere Geburtsgröße und -gewicht auf die beschleunigte Hirnalterung hin, noch zeigten sich in der Studiengruppe vermehrt altersbedingte Gefäßerkrankungen.“ Dagegen zeigte die Studie einen Zusammenhang der individuellen Hirnalterung mit dem Alter der Mutter bei der Geburt, dem Kopfumfang und früheren Hirnerkrankungen. Auch Alkoholkonsum, Bluthochdruckbehandlung und die Herzfrequenz erwiesen sich als Einflussgrößen für das biologische Hirnalter.

Entscheidend ist ausreichende Nahrung in der Schwangerschaft

Katja Franke: „Unsere Ergebnisse bestätigen die entscheidende Bedeutung einer ausreichenden Nährstoffversorgung während der Schwangerschaft. Eine vorgeburtliche Unterernährung ist mit der beschleunigten Alterung des Gehirns im höheren Erwachsenenalter verbunden.“ Zudem werden frühere Befunde der Brain-AGE Gruppe untermauert, nämlich dass die Alterungsgeschwindigkeit von der individuellen Struktur des Gehirns abhängt, die sowohl von Geburtsmerkmalen geprägt ist, als auch von Gesundheitsfaktoren im späten Erwachsenenalter.

Seit fast zehn Jahren forscht Katja Franke auf dem Gebiet der Bestimmung des biologischen Hirnalters. Im Rahmen ihrer Doktorarbeit entwickelte und untersuchte sie die BrainAGE genannte Methode. Für diese nutzt sie die Muster in der Gehirnstruktur, die durch die Abnahme der der grauen und der weißen Substanz bei der normalen Alterung entstehen. Wie Altersfältchen im Gesicht sind diese alterstypisch, sichtbar sind sie in Strukturaufnahmen aus der Kernspintomographie. Das BrainAGE-Verfahren wendet Mustererkennungsalgorithmen auf diese MRT-Daten an und kann so mit Hilfe der MRT-Aufnahmen von Gesunden kalibriert werden. „Dabei greifen wir auf MRT-Messungen zurück, die für andere Untersuchungen der Probanden angefertigt wurden. Dadurch ist der Aufwand relativ gering“, so Katja Franke. Im Vergleich zu den altersgerechten dreidimensionalen Strukturveränderungen errechnet das Verfahren dann das biologische Hirnalter als Zahl, einen einfach zu handhabenden Biomarker.

Früherkennung von Alzheimer-Demenz

Dieser könnte zum Beispiel eine frühzeitige Erkennung und eine verbesserte Prognose von Alzheimer-Demenz ermöglichen. Die Wissenschaftler fanden bei Patienten im Anfangsstadium das biologische Hirnalter um etwa zehn Jahre erhöht gegenüber dem chronologischen Alter. Ihr Interesse gilt auch Patienten, die zwar leichte kognitive Beeinträchtigungen zeigen, bei denen aber noch nicht sicher ist, ob sie an Alzheimer erkranken werden. Das Risiko dafür steigt um zehn Prozent mit jedem Jahr, das das geschätzte Hirnalter dem chronologischen voraus ist. Bei Patienten, die später eine Alzheimer-Demenz entwickeln, altert das Hirn zudem doppelt so schnell. Katja Franke: „Diese Patienten würden höchstwahrscheinlich von präventiven und medikamentösen Therapien, an denen derzeit weltweit eifrig geforscht wird, besonders profitieren. BrainAGE könnte dazu beitragen, diese Risikopatienten zu identifizieren und den Therapieerfolg zu überprüfen.“

Biomarker erfasst auch Entwicklungsstand des Gehirns für Kinder und Jugendliche

Die Jenaer Forscher der Structural Brain Mapping Group konnten in weiteren Anwendungen des Verfahrens nachweisen, dass auch ein ungesunder Lebensstil mit wenig Bewegung und nennenswertem Alkoholkonsum sowie Erkrankungen wie Altersdiabetes einen beschleunigenden Einfluss auf das Altern des Gehirns haben. Aber nicht nur die Abbau- und Verfallsprozesse des Hirns lassen sich mit BrainAGE quantifizieren, auch die Strukturen der Hirnentwicklung und –reife in Kindheit und Jugend kann das Verfahren zeitlich einordnen.

„Weicht das berechnete biologische Hirnalter von dem kalendarischen ab, so deutet dies bei Kindern und Jugendlichen wahrscheinlich auf Entwicklungsstörungen in der strukturellen Hirnreifung hin“, erklärt Katja Franke. Gemeinsam mit kanadischen Kollegen untersuchen die Jenaer Wissenschaftler deshalb die Auswirkungen verschiedener Faktoren auf die individuelle Hirnreifung, beispielsweise der Konsum von legalen und illegalen Drogen als Teenager oder mütterliches Rauchen während der Schwangerschaft. Dazu entwickeln sie zunächst Referenzkurven, für Mädchen und Jungen getrennt. Auch den Einfluss der Sexualhormone auf die Reifung des Gehirns in der Pubertät wollen die Wissenschaftler bestimmen. Die Datengrundlage sind MRT-Aufnahmen von über 4000 Probanden im Alter von zwölf bis 25 Jahren, die Mehrzahl ist sogar nach einigen Jahren erneut im MRT gewesen. „Von dieser großen Zahl erhoffen wir uns besondere Genauigkeit für den Biomarker. Er könnte künftig zur frühzeitigen Erkennung von Entwicklungsstörungen beitragen und zukünftig zur Evaluation von Behandlungserfolgen genutzt werden“, so Katja Franke.

Originalliteratur:
Katja Franke, et al. Premature brain aging in humans exposed to maternal nutrient restriction during early gestation, Neuroimage, 2017, https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2017.10.047
James H. Cole, Katja Franke. Predicting Age Using Neuroimaging: Innovative Brain Ageing Biomarkers, Trends in Neurosciences, 2017, https://doi.org/10.1016/j.tins.2017.10.001