För första gången, forskare har utvecklat en datasimulering av hur klumpar av defekta proteiner i neurodegenerativa sjukdomar som Alzheimers sprids genom hjärnan, mycket av tiden i smygläge, över så länge som 30 år.

"Vi hoppas att förmågan att modellera neurodegenerativa störningar kommer att inspirera till bättre diagnostiska tester och, i sista hand, behandlingar för att bromsa effekterna, "sa Stanford maskiningenjör Ellen Kuhl, som beskriver arbetet i en 12 oktober -artikel i Fysiska granskningsbrev medförfattare med Johannes Weickenmeier från Stevens Institute of Technology och Alain Goriely från Oxford University.

Simuleringarna fokuserar på Alzheimers, Parkinsons och amyotrofisk lateral skleros (ALS, eller Lou Gehrigs sjukdom), men forskarna tror att deras teknik är tillräckligt generell för att fungera för andra hjärnstörningar som involverar felaktiga proteiner, inklusive kronisk traumatisk encefalopati.

Följ proteinerna

Gruppen visste att var och en av de tre sjukdomar de studerade producerade kännetecken för defekter, felveckade proteiner som byggs upp i hjärnan. För att se hur de giftiga klumparna sprids över tiden, Kuhl och hennes kollegor tittade på hjärnskivor tagna från människor som dog efter att ha utvecklat en av de tre sjukdomarna. Tidigare forskare hade färgat dessa hjärnskivor för att avslöja närvaron av de olika proteinerna av intresse.

När Kuhls team lade in den resulterande informationen i en dator, de gjorde också den matematiska modelleringen för att simulera hur mönstret för defekta proteiner sprider sig från de relativt glesa klumparna hos människor som var tidigt i sjukdomen till mycket mer utbredd klumpning hos personer med avancerad sjukdom - en process som kan ta upp till 30 år.

"Tänk dig en dominoeffekt, "sa Kuhl, som är en del av Stanford Neurosciences Institute och Stanford Bio-X. "Vad vår modell gör är att ansluta prickarna mellan de statiska datapunkterna, matematiskt, att visa sjukdomsprogression i oöverträffad detalj. "

När det gäller Alzheimers sjukdom, forskarna modellerade utvecklingen av två felvikande proteiner - kända som tau och amyloid beta - som båda ändrar form och bildar giftiga klumpar i hjärnan hos personer med sjukdomen. Tidigare forskare hade färgat hjärnskivor för både proteiner och, med den nya modellen, Kuhls team kunde skapa två simuleringar som visar hur olika varianter av sjukdomen sprids på olika sätt.

Sprid defekten

Neurovetenskapare vet inte exakt hur en klump defekta proteiner påverkar sina grannar för att sprida felfällningen, även om Kuhl sa att det finns tre rådande teorier. Modellens dygd, Hon sa, är att den förutsäger sjukdomens väg oavsett vilken teori som är korrekt.

Kuhl planerar nu att arbeta med neurovetenskapare för att bättre förstå mekanismerna för hur proteinerna fälls fel. Dessa insikter skulle förbättra deras modell och kanske leda till bättre sätt att diagnostisera sjukdomen medan den fortfarande är i smygläge.

"Den verkliga utmaningen är att celldöd från giftiga proteiner inträffar år, om inte årtionden, innan de första symptomen börjar visa sig, Sa Kuhl.

Kuhl planerar också att göra modelleringsprogrammet fritt tillgängligt för andra forskare, upprepa vad hon gjorde för ett decennium sedan med liknande modeller för att studera hjärtat - arbete som nu kallas Living Heart Project. I dag, Kuhl sa, mer än 150 akademiska och kommersiella laboratorier använder Living Heart -programvaran för att testa kirurgiska ingrepp eller designa enheter som hjärtklaffar. Hjärnans programvara kommer att kallas Living Brain Project.

"Med tanke på befolkningens åldrande, vid mitten av århundradet kommer 135 miljoner människor världen över att ha någon form av demens, "Kuhl sa." Vi måste hitta nya sätt att främja forskning mot diagnostik och interventioner, och datormodellering kan spela en nyckelroll för att identifiera nya terapeutiska mål. "