Epilepsi är en komplex neurologisk sjukdom som drabbar cirka 50 miljoner människor världen över. Även om denna sjukdom har varit känd i århundraden, den exakta mekanismen för dess kardinalsymptom, epileptiska anfall, förblir dåligt förstådd. Faktiskt, ungefär 25 procent av epileptiska anfall kan inte kontrolleras av någon av de terapier som finns tillgängliga idag.

De senaste framstegen har lett till en konceptualisering av epilepsi som en "nätverkssjukdom" som uppvisar kopplingar inom hjärnan. Detta storskaliga epileptiska nätverk omfattar olika delar av hjärnan som är inblandade i normal hjärnaktivitet under både krampfria intervaller och de som är involverade i så kallade patofysiologiska aktiviteter som anfall.

Lite är känt, dock, om vilka specifika områden i hjärnan som bidrar till en patients epileptiska nätverk eller de roller dessa olika områden spelar. Som en grupp forskare i Tyskland rapporterar nu denna vecka i Kaos , ett sätt att komma närmare den komplexa ledningen i den mänskliga hjärnan är genom att slå samman begrepp från en tidsbaserad synkroniseringsteori och rymdbaserad nätverksteori för att konstruera funktionella hjärnans nätverk.

Tills nu, det "anfallsgenererande området" i hjärnan – där de tidigaste tecknen på anfallsaktivitet kan observeras – ansågs vara den viktigaste av dessa regioner. Detta fynd baserades på mycket begränsade data och det var oklart om dess betydelse förändras med tiden.

Med detta nya analytiska tillvägagångssätt, Professor Klaus Lehnertz, chef för Neurophysics Group vid avdelningen för epileptologi vid universitetet i Bonn, och hans grupp utforskade den tidsmässiga och rumsliga variationen av betydelsen av hjärnans olika regioner.

"Ny utveckling inom nätverksteorin ger kraftfulla verktyg för att konstruera så kallade "funktionella nätverk" från observationer av hjärnaktiviteter som elektroencefalogrammet (EEG), och hjälper till att identifiera de viktiga noder och länkar inom sådana nätverk, " sa Lehnertz.

Genom att associera nätverksnoder med individuellt samplade hjärnregioner, Lehnertz grupp kan definiera en länk mellan ett par noder genom att bedöma graden av synkronisering mellan neuronala signaler från alla par av noder; ju högre grad, desto starkare länk.

"Att tillämpa dessa analyskoncept på flerkanaliga långsiktiga EEG-inspelningar från 17 epilepsipatienter med hög tidsupplösning tillät oss att härleda en sekvens av funktionella hjärnanätverk som sträcker sig över flera dagar, "sa Christian Geier, en doktorand som arbetar med Lehnertz. "För varje nätverk, vi bedömer olika aspekter av betydelsen av enskilda hjärnregioner med olika centralitetsindex som utvecklats tidigare för samhällsvetenskaperna. Sedan, vi utforskar hur betydelsen av nätverksnoder fluktuerar över tiden."

Gruppens arbete är särskilt betydelsefullt eftersom de för första gången visade hur betydelsen av enskilda noder inom funktionella hjärnanät fluktuerar på tidsskalor som sträcker sig över tiotals sekunder upp till dagar. De visade vidare att dessa fluktuationer till stor del kan hänföras till det normala, dagliga rytmer för en patient, men tillskrivs endast minimalt fenomen som är direkt relaterade till sjukdomen.

Deras kanske mest spännande upptäckt är att i allmänhet, enligt Geier, det finns ingen konstant hierarki mellan hjärnregioner.

"Snarare, de turas om i betydelse på olika tidsskalor, "Sa Geier." Och, beroende på vilken aspekt av betydelse som bedöms, det anfallsgenererande området är inte - som man brukar tro - den viktigaste noden inom ett storskaligt epileptiskt nätverk."

Förståelserna från denna forskning är en del av den nödvändiga grunden för att utveckla behandlingar relaterade till orsakerna och symptomen på epilepsi.

"När olika hjärnregioner antar den högsta betydelsen inom ett funktionellt hjärnanätverk är nyckeln till att förbättra både förutsägelse och kontroll av epileptiska anfall, "Sa Lehnertz." På sikt, denna förbättrade förståelse kan möjliggöra utvecklingen av bättre behandlingsalternativ för patienter som lider av epilepsi. Och att förstå vikten av noder och länkar i funktionella hjärnans nätverk kan också vara relevant för andra neurologiska sjukdomar. "