Sicherstellungen und Migräne seit jeher als getrennte physiologische Vorgänge im Gehirn , aber jetzt ein Team von Ingenieuren und Neurowissenschaftler Blick auf das Gehirn von einem Physik Sicht entdeckt eine Verbindung zwischen diesen und verwandte Phänomene .
Wissenschaftler glaubten, diese beiden Gehirn Ereignisse waren getrennte Phänomene , weil sie nach außen sehr unterschiedlich treffen Menschen . Epileptische Anfälle werden durch elektrische Überaktivität markiert, aber Migräne Auren - basierend auf einem zugrunde liegenden Prozess namens Verbreitung Depression - Werden von einem Silencing der elektrischen Aktivität in einem Teil des Gehirns markiert. Außerdem verbreiten Anfälle rasch , während Migräne propagieren langsam .
"Wir wollten ein realistischeres Modell zugrunde liegt , was Migräne , die wir auf die Kontrolle der Arbeit machen", sagte Steven J. Schiff , Pinsel Chair Professor of Engineering und Direktor der Penn State Zentrum für Neurotechnik. "Wir haben erkannt , dass niemand jemals richtige Spur der neuronalen Energie gehalten hatte eingesetzt und alle Ionen , die geladene Atome , gehen in die und aus der Gehirnzellen. "
Kalium und Natrium tragen die Ionen , die Strom im Gehirn steuern. Die Forscher der Penn State hinzugefügt grundlegenden physikalischen Prinzipien der Erhaltung der Energie , Ladung und Masse auf eine ältere Theorie dieser Strom. Sie behielten Spur erforderlich, um eine Nervenzelle führen Energie und gehalten Zählung der Ionen, die in die und aus den Zellen.
Das Gehirn benötigt eine konstante Versorgung mit Sauerstoff zu halten alles am Laufen , weil es zu halten Pumpen der Ionen nach jeder elektrische Spitze zurück durch die Zellmembranen . Die Energieversorgung ist direkt mit Sauerstoffkonzentrationen in der Umgebung der Zelle und der erforderlich ist, um die Ionen auf die richtige Stelle wiederherzustellen Energie verbunden ist viel größer nach Anfällen oder Migräne.
" Wir wissen, dass einige Leute beide Anfällen und Migräne ", sagte Schiff . "Gewiss, die gleichen Gehirnzellen produzieren diese verschiedenen Events und wir haben jetzt immer mehr Beispiele, wo einzelne Genmutationen können die Anwesenheit sowohl von Beschlagnahme und Migräne in den gleichen Patienten und deren Familien zu produzieren So im Nachhinein war die Verbindung auf der Hand. - aber wir konnten es nicht verstehen. "
Die Forscher, die ebenfalls enthalten Yina Wei, den letzten Penn State Ph.D. in Ingenieurwissenschaften und Mechanik , derzeit Postdoc an der University of California - Riverside , und Ghanim Ullah , ehemaliger Penn State Postdoctoral Fellow , jetzt ein Professor für Physik an der University of South Florida, untersucht , die sich ältere Modelle der Gehirnzellenaktivitätmit den grundlegenden Schutzprinzipien . Sie wurden von früheren Penn State Experimente, die die sehr empfindliche Verbindung zwischen Sauerstoffkonzentration mit zuverlässigen und schnellen Veränderungen in Nervenzellverhaltenzeigte motiviert .
Was sie fanden, war völlig unerwartet . Hinzufügen von grundlegenden Schutzprinzipienzu den älteren Modellen sofort gezeigt, dass Spikes , Krampfanfälle und Spreading Depression waren alle Teil eines Spektrums von Nervenzellverhalten. Es schien, dass jahrzehntelangen Beobachtungen der verschiedenen Phänomene im Gehirn könnte eine gemeinsame zugrunde liegenden Link teilen .
"Wir haben in einem einzigen Modell der Biophysik von neuronalen Membranen , die wir für eine breite Palette von experimentellen Beobachtungen Konto von Spikes , um Krampfanfälle und Spreading Depression gefunden , ", berichten die Forscher in der jüngsten Ausgabe des Journal of Neuroscience . "Wir sind besonders von der scheinbaren Vereinigung möglich zwischen der Dynamik der Sicherstellungen und Spreading Depression schlug . "
Während die anfängliche Absicht war es, eine bessere Modellierung der Biophysik des Gehirns , der Verbindung und Vereinigung der Sicherstellungen und Spreading Depression war eine emergente Eigenschaft des Modells , so Schiff .
"Niemand , weder uns noch unsere Kollegen erwartet eine solche Feststellung oder wir hätten schon vor Jahren getan haben ", sagte Schiff . "Aber wir haben sofort erkannt , was die Ergebnisse zeigten , und wir intensiv , um die Integrität dieses Ergebnis in vielerlei Hinsicht zu testen und wir fanden heraus , wie robust es war. Obwohl die Mathematik sind komplex, die Verknüpfung dieser Phänomene scheint felsenfest . "
Die Möglichkeit, den Unterschied zwischen normalen und pathologischen Aktivität im Gehirn besser verstehen kann , um die Fähigkeit , vorherzusagen, wenn ein Festfressen auftreten führen .
"Wir sind nicht nur daran interessiert, bei der Kontrolle der Anfälle oder Migräne , wenn sie beginnen , aber wir sind daran interessiert, Möglichkeiten zur Stabilisierung des Gehirns in normalen Betriebsregime und solche Erscheinungen zu verhindern, in erster Linie zu suchen ", sagte Schiff . " Diese Art von Vereinigung Rahmen zeigt, dass wir nun damit beginnen, eine viel grundlegendes Verständnis davon, wie normalen und pathologischen Hirnaktivitäten in Beziehung zueinander zu haben. Wir und unsere Mitarbeiter haben eine Menge auf unserem Teller zu erkunden in den kommenden Jahren , wie wir bauen auf dieser Erkenntnis . "