Kartierung von Verbindungsdefekten im Fall von Phineas Gage

Die Kartierung der weißen Substanz (WM) im menschlichen Gehirn mittels bildgebender Verfahren hat in der Neurowissenschaftsgemeinschaft erhebliches Interesse geweckt. Durch die Verwendung von diffusionsgewichteten (DWI) und Magnetresonanztomographie (MRT) können WM-Fasern zwischen Gehirnregionen systematisch bewertet werden, um Rückschlüsse auf deren Rolle in der normalen Gehirnfunktion, den Einfluss auf das Verhalten sowie die Folgen von Netzwerkniveau-Gehirnschäden zu ziehen. In dieser Arbeit untersuchen wir die detaillierte Verbindungsanalytik in einem bemerkenswerten Beispiel für schwere traumatische Hirnverletzungen (TBI), das in der Geschichte der Neurowissenschaften wichtig und kontrovers ist. Wir modellieren die WM-Schädigung im bemerkenswerten Fall von Phineas P. Gage, bei dem ein "Stahlstab" versehentlich durch seinen Schädel und sein Gehirn geschossen wurde, was zu tiefgreifenden Verhaltensänderungen führte. Die spezifischen Auswirkungen dieser Verletzung auf die WM-Verbindung von Mr. Gage wurden bisher nicht im Detail betrachtet. Anhand von bildgebenden Daten der Computertomographie (CT) des Gage-Schädels in Verbindung mit modernen anatomischen MRT- und Diffusionsbilddaten, die bei zeitgenössischen rechtshändigen männlichen Probanden (im Alter von 25-36 Jahren) gewonnen wurden, simulieren wir computergestützt den Durchgang des Eisens durch den Schädel auf Basis von berichteten und beobachteten fiduziären Landmarken des Schädels und bewerten das Ausmaß der Schädigung der kortikalen grauen Substanz (GM) und WM. Insbesondere stellen wir fest, dass zwar erhebliche Schäden lokalisiert in der linken Frontalkortex auftraten, der Einfluss auf die Messungen der Netzwerkvernetzung zwischen direkt betroffenen und anderen Gehirnarealen jedoch tiefgreifend, weitreichend und eine wahrscheinliche Mitursache sowohl für die berichteten akuten als auch langfristigen Verhaltensänderungen war. Dennoch könnte der Schaden am WM-Netzwerk von Mr. Gage, obwohl er mehrere wahrscheinliche Netzwerkzentren erheblich beeinflusste, nicht schwerwiegender gewesen sein als erwartet, basierend auf einer vergleichbar großen "durchschnittlichen" Gehirnläsion. Diese Ergebnisse bieten neue Einblicke in die bemerkenswerte Gehirnverletzung, die dieser bemerkenswerte Patient erlitten hat.