Welt der Physik: „Blutgefäße haben ein Erinnerungsvermögen“

Biologische Netzwerke sind dynamisch: Beispielsweise können die Arterien im menschlichen Gehirn dick oder dünn sein und sogar ganz verschwinden. Blutgefäße reagieren somit auf Änderungen der Flussrate. Wird eine Vene verstopft, zum Beispiel bei einem Schlaganfall, verändert sich das Venennetz. Dann wird umgestellt – auch wenn die Verstopfung nicht mehr besteht. Im Interview mit Welt der Physik erklärt Karen Alim von der TU München, wie sie und ihre Kollegen mit physikalischen Modellen dieses Gedächtnis untersucht haben.

Die Welt der Physik: Inwieweit lassen sich biologische Netzwerke physikalisch erklären?

Foto der Wissenschaftlerin Karen Alim

Karen Alim: Alle höheren Organismen – ob Pilze, Pflanzen oder Tiere – nutzen Netzwerke, um Ressourcen zu transportieren. Beim Menschen sind dies beispielsweise Blutgefäße. Die biologische Struktur dieser Netzwerke variiert stark zwischen den Arten. Aber sie gehorchen denselben physikalischen Gesetzen. Beispielsweise kann der Durchmesser eines Drahts an einem Knoten oder Verbindungspunkt unter Verwendung eines physikalischen Modells vorhergesagt werden.

Was haben Sie sich bei einem solchen Modell angesehen?

Wir modellieren das Gefäßsystem als röhrenförmiges Strömungsnetzwerk und untersuchen den Energieverbrauch im System. Auf der einen Seite betrachten wir die Energie, die benötigt wird, um das Netzwerk zu starten. Dies ist proportional zu seinem Volumen. Und andererseits betrachten wir die Energie, die benötigt wird, um die Strömung zu erzeugen. Wenn Sie dann eine Strömung in einem Rohr haben, entsteht Reibung an den Wänden des Rohrs – das verschwendet Energie. Bei unserem Gefäßsystem kann man es sich leicht vorstellen: Wenn unser Herz nicht die ganze Zeit pumpen würde, würde der Blutfluss durch unseren Körper aufhören. Versucht man nun diese Reibungsverluste zu reduzieren, entsteht ein Lead im Netzwerk. Bei Blutgefäßen beispielsweise bestimmt die Strömungsgeschwindigkeit in den Gefäßen, wie dick sie sind. Dadurch werden Informationen über die Durchflussmenge im System gespeichert – und wenn sich diese ändert, ändert sich auch die Form des Netzes. Das haben wir mit unserem Modell untersucht: Wir wollten wissen, wie sich das Strömungsnetz verändert, wenn ich gleichzeitig die Strömungsgeschwindigkeit erhöhe oder verringere.

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Was waren die Ergebnisse?

Wir haben festgestellt, dass der Durchmesser der Venen dort zunimmt, wo die Strömung stärker ist – denn so lassen sich Reibungsverluste reduzieren. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass wenn eine Vene verstopft ist, die nachgeschalteten Venen wenig oder gar keinen Durchfluss haben. Dann werden sie dünner und verschwinden sogar. Das Internet wurde durch Überlastung irreversibel verändert. Wir sagen, dass das Netzwerk Gedächtnis oder Erinnerung hat. Dieser Effekt verschwindet jedoch, wenn der Energieverbrauch für den Aufbau der Arterien sehr hoch ist. Denn das würde bedeuten, dass sich überhaupt keine dicken Arterien aufbauen würden. Und dann werden auch keine Informationen im Netzwerk gespeichert, weil alle Drähte gleich dünn sind.

Kann die Brückenbildung in Funknetzen auch direkt im Labor verifiziert werden?

Es gibt Daten aus dem Zebrafischgehirn. Dies gilt als Modellsystem, da der Embryo klar ist und Sie das Venennetz sehr gut sehen können. Bei diesem Tier bildet sich zunächst im Gehirn ein glattes Nervengeflecht. Wenn Blut durch das Netzwerk fließt, ordnet es sich neu an. Ein Teil der Zellen wandert in die dicken Blutgefäße und erweitert diese. Schmale Venen, in denen ein kleiner Fluss verloren geht.

Ist das bei unserem Gehirn der Fall?

Auch im menschlichen Gehirn haben wir ein wunderschönes Nervennetzwerk, das sehr mächtig ist. Obwohl es genetisch festgelegt ist, wo bestimmte Nerven liegen, ist das Verzweigungsgeflecht in unserem Gehirn sehr anpassungsfähig und hat auch die Fähigkeit, sich zu erinnern. Wird hier die Vene verstopft – zum Beispiel bei einem Schlaganfall – verändern sich auch die nachgelagerten Venen, bis sie schließlich verschwinden. Das ist übrigens ähnlich wie die Nervenverbindung in unserem Gehirn. Es ist ein Netzwerk von Neuronen. Auch dort sind häufig genutzte Links sehr stark und selten genutzte schwach. Dies ist seit langem bekannt. Bei Blutgefäßen hingegen war es eine völlig neue Entdeckung, dass sie auch Erinnerungen haben.

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Ist es gut oder schlecht, dass sich Blutgefäße erinnern können?

Lassen Sie es mich so sagen: Die Erkenntnis, dass neuronale Netze ein Gedächtnis haben, kann gut genutzt werden. So kann man zum Beispiel die Strömung in einem bestimmten Bereich gezielt verändern, damit der Sauerstoff beim nächsten Mal wieder besser dorthin transportiert werden kann. Das heißt, das Wissen, dass Nerven auf Ströme reagieren, lässt sich sozusagen zur Planung von Nerven nutzen. Das untersuche ich gerade mit einem Kollegen an einer Prototypanlage im Labor.

Welche Aussagekraft haben Ihre Ergebnisse?

Ich finde es zum Beispiel sehr spannend darüber nachzudenken, was bei neurodegenerativen Erkrankungen passiert, die nicht nur Nervenzellen, sondern auch das Gefäßnetzwerk zerstören. Ich vermute, dass dies auch ein Trickle-Down- oder Schneeballeffekt ist. Und zu verstehen, warum die Wirkung von Schnee auftreten kann, ist der erste Schritt im Umgang mit Krankheiten. Zweitens wird untersucht, wie Kaskaden verhindert werden können.

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