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Title	Physiologische Dynamik bei demyelinisierenden Krankheiten: Enträtseln komplexer Zusammenhänge durch Computermodellierung
Authors	Jay S. Coggan · Stefan Bittner · Klaus M. Stiefel · Sven G. Meuth · Steven A. Prescott
Source	Document
Date	2021
Journal	Int J Mol Sci.
DOI	10.3390/ijms160921215
PUBMED	https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4613250/#!po=53.5714
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License	CC BY
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Physiologische Dynamik bei demyelinisierenden Krankheiten: Enträtseln komplexer Zusammenhänge durch Computermodellierung

Free resource by Jay S. Coggan · Stefan Bittner · Klaus M. Stiefel · Sven G. Meuth · Steven A. Prescott

Book Index

Physiological Dynamics in Demyelinating Diseases: Unraveling Complex Relationships through Computer Modeling

Jay S. Coggan, Stefan Bittner, [...], and Steven A. Prescott

Additional article information

Abstrakt

Trotz intensiver Forschung stehen für die meisten neurologischen Erkrankungen nur wenige Behandlungen zur Verfügung. Demyelinisierende Erkrankungen sind keine Ausnahme. Dies ist vielleicht nicht überraschend angesichts der multifaktoriellen Natur dieser Krankheiten, die komplexe Wechselwirkungen zwischen Zellen des Immunsystems, Glia und Neuronen umfassen. Bei Multipler Sklerose zum Beispiel herrscht unter Forschern Uneinigkeit über die Ursache oder gar welches System oder welcher Zelltyp Ground Zero sein könnte. Diese Situation schließt die Entwicklung und strategische Anwendung mechanismusbasierter Therapien aus. Wir werden diskutieren, wie Computermodellierung, die auf Fragen auf verschiedenen biologischen Ebenen angewendet wird, dabei helfen kann, unterschiedliche Beobachtungen miteinander zu verknüpfen und komplexe Mechanismen zu entschlüsseln, deren Lösungen einem einfachen Reduktionismus nicht zugänglich sind. Indem sie überprüfbare Vorhersagen treffen und kritische Lücken im vorhandenen Wissen aufdecken, können solche Modelle die Forschung unterstützen und einen rigorosen Rahmen bieten, in den neue Daten integriert werden können, sobald sie gesammelt werden. Heutzutage gibt es keinen Mangel an Daten; Die Herausforderung besteht darin, dem Ganzen einen Sinn zu geben. In dieser Hinsicht ist die Computermodellierung ein unschätzbares Werkzeug, das letztendlich unser Verständnis, die Diagnose und Behandlung von demyelinisierenden Krankheiten verändern könnte.

Schlüsselwörter: Myelin, Demyelinisierung, Multiple Sklerose, neurodegenerative Erkrankung, Computermodell, Wirkstoffforschung

Einführung

Die Nervensysteme von Wirbeltieren werden aufgrund ihres Aussehens und der entsprechenden funktionellen Rollen oft in graue und weiße Substanz unterteilt. Während die graue Substanz größtenteils aus Zellkörpern und Dendriten besteht, enthält die weiße Substanz hauptsächlich Axone und hat ihren Namen von den Lipidmembranschichten namens Myelin, die eng um diese Axone gewickelt sind.^[1] Myelin stammt aus verschiedenen Klassen von Gliazellen, die als Oligodendrozyten im Zentralnervensystem (ZNS) und Schwann-Zellen im peripheren Nervensystem (PNS) bezeichnet werden.

Die durch die Myelinschichten bereitgestellte elektrische Isolierung verbessert die axonale Funktion, indem sie sowohl die Energieeffizienz als auch die Leitungsgeschwindigkeit von Aktionspotentialen (APs) erhöht. Diese beiden Funktionen haben möglicherweise ihre relative Bedeutung während der Evolution geändert.^[2] Myelin tauchte erstmals im Ordovizium (485 bis 443 ma oder Millionen Jahre vor der Gegenwart) auf, nachdem sich die Vorfahren der Neunaugen und Schleimaale von den übrigen Wirbeltierlinien abgespalten hatten.^[3]Mit einigen interessanten Ausnahmen,^[4]^[5] Myelin oder analoge Strukturen kommen in allen Wirbeltieren vor und sind entscheidend für das reibungslose Funktionieren ihres Nervensystems. Der ungefähre Zeitpunkt der Entwicklung von Myelin kann aus der bekannten Zeit der Divergenz zwischen Akkordaten ohne (Agnatha) und mit (alle anderen Wirbeltiere) Myelin abgeleitet werden.

Die Myelinumhüllung wird durch regelmäßig beabstandete, nicht myelinisierte Abschnitte unterbrochen, die als Ranvier-Knoten bekannt sind. Myelin beschleunigt die Leitung, indem es den transmembranen Ladungsfluss durch Ionenkanäle innerhalb der Knoten einschränkt. Innerhalb der sogenannten Internodien fließt Strom das Axon hinunter, wobei nur wenig davon durch die isolierte Zellmembran fließt. Das AP wird an jedem Knoten regeneriert, an dem die Dichte der spannungsgesteuerten Natrium- und Kaliumkanäle sehr hoch ist. Dieser Vorgang wird als „saltatorische Leitung“ bezeichnet, da der AP scheinbar von Knoten zu Knoten springt. Störungen in diesem Schnellfeuer-Kommunikationssystem können mit einer Reihe von Funktionsstörungen des Nervensystems in Verbindung gebracht werden.^[6]

Axone scheinen in mehrfacher Hinsicht an physikalischen Grenzen zu operieren. Ein interessantes Beispiel ist, dass die Größe von Axonen durch das thermische Rauschen beschränkt zu sein scheint, das Ionenkanalproteinen innewohnt; Jedes Axon, das dünner als 0,1 μm ist, wäre aufgrund seines hohen Rauschpegels für die Informationsübertragung unbrauchbar.^[7] Interessanterweise ist 0,1 μm auch ungefähr der kleinste Axondurchmesser, der in Nervensystemen beobachtet wird [7]. Diese und ähnliche Ergebnisse deuten darauf hin, dass Axone und ihre Unterstrukturen fein abgestimmte biologische Geräte sind, dass die Abstimmung jedoch offensichtlich unter pathologischen Bedingungen gestört werden kann.^[8]

Die Demyelinisierung setzt funktionelle Veränderungen in Gang, die für klinische Merkmale wichtig sind, aber nicht ohne weiteres durch immunologische oder radiologische Veränderungen erklärt werden können. Die Lage einer Plaque sagt voraus, welches System betroffen sein wird (motorisch vs. sensorisch, visuell vs. taktil), aber nicht, wie es betroffen sein wird. Dies unterstreicht die Bedeutung der Beurteilung der Funktion (zusätzlich zur Struktur) und wie sie sich nach der Demyelinisierung verändert. Nach der Einführung demyelinisierender Krankheiten werden wir erörtern, wie die klinischen Manifestationen dieser Krankheiten verschiedene pathologische Veränderungen der Axonfunktion widerspiegeln. Wir werden argumentieren, dass das Verständnis dieser Veränderungen und die vollständige Nutzung dieses Verständnisses für diagnostische und therapeutische Zwecke enorm von der Computermodellierung profitieren können.

Demyelinisierende Krankheiten

Abbildung 1: Demyelinisierende Erkrankungen des peripheren Nervensystems (PNS). (A) Primäre demyelinisierende Polyneuropathien und (B) Polyneuropathien mit Axonschädigung. Abkürzungen: CMT 1, 2 und 4: Charcot-Marie-Tooth-Krankheit; CMTX: X-chromosomale Charcot-Marie-Tooth-Erkrankung; HNPP: erbliche Neuropathie mit Neigung zu Drucklähmungen; AIDP: akute entzündliche demyelinisierende Polyneuropathie; GBS: Guillain-Barré-Syndrom. CIDP: chronisch entzündliche demyelinisierende Polyneuropathie; MGUS: monoklonale Gammopathie unbestimmter Bedeutung; POEMS: Polyneuropathie, Organomegalie, Endokrinopathie oder Ödem M-Protein und Hautanomalien; HSAN I–IV: hereditäre sensorische und autonome Neuropathie.

Es gibt eine große Anzahl demyelinisierender Erkrankungen, die sowohl das PNS (Abbildung 1) als auch das ZNS (Abbildung 2) betreffen. Die Ätiologien sind heterogen und reichen von genetischen Störungen bis hin zu metabolischen, infektiösen oder Autoimmunmechanismen. Multiple Sklerose (MS) ist mit schätzungsweise 3 Millionen Patienten weltweit die am weitesten verbreitete dieser Erkrankungen. Die zugrunde liegende Ursache ist ungewiss, es wird jedoch angenommen, dass sie eine genetische Veranlagung für Umwelteinflüsse beinhaltet^[9]^[10]und kann immunologische, Reaktionsfähigkeit auf Traumata, biophysikalische, genetische und/oder metabolische Komponenten umfassen.^[10]Die Symptome und Läsionen müssen zeitlich und räumlich vielfältig sein. Das heißt, es müssen zeitlich mehrere Episoden auftreten, an denen getrennte Teile des zentralen Nervensystems beteiligt sind. Es ist nicht klar, ob die entzündliche Demyelinisierung ein primäres oder sekundäres Ereignis innerhalb des Krankheitsprozesses ist.^[9]^[11]^[12] Die meisten Behandlungen zielen auf das Immunsystem oder die Blut-Hirn-Schranke ab, aber auch die Behandlung neurologischer Symptome durch Modulation der axonalen Erregbarkeit spielt eine wichtige Rolle (siehe unten)..

Abbildung 2: Demyelinisierende Erkrankungen des Zentralnervensystems (ZNS). Abkürzungen: MS: Multiple Sklerose; ADEM: akute disseminierte Enzephalomyelitis; HIV: menschliches Immunschwächevirus; PML: progressive multifokale Leukenzephalopathie; HTLV-1: menschliches T-lymphotropes Virus 1; PRES: posteriores reversibles Enzephalopathie-Syndrom.

Klinische Bewertung von Multipler Sklerose

Die Symptome sind vielfältig und können bei einem einzelnen Patienten in allen Kombinationen auftreten. Die Diagnose erfordert, dass im Laufe der Zeit mehrere Läsionen und symptomatische Episoden vorliegen müssen, an denen nicht verbundene Teile des ZNS beteiligt sind. Darüber hinaus neigen die Symptome dazu, schlecht mit radiologischen Messungen zu korrelieren. In den allermeisten Fällen korrelieren individuelle klinische Merkmale nicht gut mit MRT-Befunden, insbesondere bei zerebralen Läsionen.^[13]^[14]^[15] Diese klinisch-radiologische Dissoziation verlangt nach einem besseren theoretischen Verständnis der Demyelinisierungssymptome und der zugrunde liegenden biophysikalischen Veränderungen, die sie begleiten, was natürlich die Frage aufwirft, was genau mit den betroffenen Axonen passiert.

Die Symptome sind oft intermittierend und können sowohl Funktionsverlust (negative Symptome wie Taubheitsgefühl, Muskelschwäche, Kribbeln, Blindheit, Inkontinenz, Verlust der Sexualfunktion, Gleichgewichtsverlust, undeutliche Sprache, Verstopfung, beeinträchtigende Müdigkeit, Depression, kognitive Dysfunktion) umfassen , Unfähigkeit zu schlucken, Gangstörungen und Verlust der Atemkontrolle) und Funktionsgewinn (unter anderem positive Symptome wie Krämpfe, Spastik, Krämpfe, Schmerzen, verschwommenes oder doppeltes Sehen, Harndrang oder Zögern, Übelkeit)..^[16]Frühe differenzialdiagnostische Kriterien sind das Lhermitte-Zeichen (Halsbeugegefühle) und das Uhthoff-Phänomen (temperaturabhängige Verschlechterung der Beschwerden). Die Differenzialdiagnose der MS richtet sich eng nach den McDonald-Kriterien.^[17]

In humandiagnostischen Studien zu visuell, sensorisch oder motorisch evozierten Potentialen (VEP, SEP, MEP) kann nur die Latenz oder Leitungsgeschwindigkeit genau gemessen werden (mit etwa 30–40 % Schwankungen zwischen verschiedenen Labors). Aber diese Messungen geben wenig Aufschluss über zugrunde liegende Mechanismen, die eine Verlangsamung oder Blockierung der Leitung beinhalten, oder morphologische oder funktionelle Faktoren wie Verzweigung, Demyelinisierung, Remyelinisierung, axonale Verjüngung (Abnahme der Querschnittsfläche), Dämpfung oder erneutes Wachstum, temperaturbedingte Änderungen der Leitung , oder Malpolarisation (Hyper oder Hypo). Nichtsdestotrotz kann die Art der demyelinisierenden Läsion Hinweise auf die Ätiologie geben und daher die Behandlung leiten; Beispielsweise scheinen genetische Faktoren stärker mit internodalen Krankheitsprozessen zu korrelieren, und immunologische Dysfunktionen verursachen paranodale Anomalien.^[18]

Eine Reihe von Tests werden routinemäßig verwendet, um die neurale Funktion zu beurteilen. Bei der Elektroneurographie wird ein kurzer elektrischer Stimulus an einer anatomisch vordefinierten Position an einen peripheren Nerv angelegt, um die Latenz und Amplitude des zusammengesetzten Aktionspotentials an einer anderen Stelle entlang des Nervs zu messen. Die Ergebnisse müssen in Kombination mit klinischen Befunden und Tests (z. B. Elektromyographie) interpretiert werden, aber es ist wichtig, dass verschiedene Krankheiten unterschiedliche Muster elektroneurographischer Veränderungen aufweisen. Dies ist nicht nur für diagnostische Zwecke wichtig, sondern kann auch auf spezifische pathologische Veränderungen der Axonfunktion hinweisen, die wiederum bei der Wahl der Therapie hilfreich sein könnten (wenn die Axonpathobiologie verstanden würde; siehe unten). Unter Verwendung von Threshold-Tracking wurde die Erregbarkeit beim Menschen für verschiedene periphere demyelinisierende Erkrankungen gemessen, darunter die Charcot-Marie-Tooth-Krankheit Typ 1A (CMT1A), die chronisch entzündliche demyelinisierende Polyneuropathie (CIDP), das Guillain-Barré-Syndrom (GBS) und die multifokale motorische Neuropathie (MMN). ).^[19]^[20]^[21]^[22]^[23]^[24]^[25]Die Herausforderung liegt in der Interpretation dieser Beobachtungen. Zu diesem Zweck hat die Gruppe von Stephanova zunehmend größere Grade systematischer und fokaler Demyelinisierung von Motorfasern simuliert, um zu versuchen, die beobachteten physiologischen Veränderungen zu erklären^[26]^[27]^[28]^[29]^[30]^[31] (siehe Abschnitt „Modellierung“ weiter unten).

Beteiligung von Zellkörpern

Die Progression von schubförmig remittierender MS (RRMS) zur sekundär progredienten MS (SPMS) ist mit einer stärkeren Beteiligung der Pathologie der grauen Substanz verbunden, obwohl eine Beteiligung der Axone/der grauen Substanz bereits in frühen Krankheitsstadien beobachtet werden kann.^[32]^[33]^[34]^[35] Die Schädigung der grauen Substanz gilt als zugrunde liegender Mechanismus des Krankheitsverlaufs und der dauerhaften Behinderung bei MS-Patienten und wird durch den Verlust der Hirnparenchymfraktion oder des Gehirnvolumens durch MRT oder klinisch durch Progression auf der erweiterten Behinderungsstatusskala (EDSS) gemessen.^[36]Der Übergang von RRMS zu SPMS ist ein Vorzeichen für den Mangel an Therapeutika zur Bekämpfung der verschlimmerten körperlichen und kognitiven Verschlechterung, mit der die meisten SPMS-Patienten konfrontiert sind.^[9]^[37]

Behandlung

Die wichtigsten Eingriffe bei MS umfassen die Modulation der Immunantwort mit beispielsweise Methly-Prednisolon, Interferon betas, Glatirameracetat oder Fingolimod oder die Verhinderung der Überquerung der BHS durch Entzündungszellen (monoklonale Antikörper, z. B. Tysabri (Anti-α4-Integrin, Natalizumab )). Vor kurzem wurden die ersten beiden oralen Wirkstoffe (Fumarat und Teriflunomid) sowie der gegen CD52 gerichtete Antikörper Natalizumab für die Behandlung von RRMS zugelassen, die erfolgreich mit Erstlinientherapien wie Interferonen, Glatirameracetat oder Fingolimod oder durch behandelt werden kann Zweitlinientherapien, aber progressive Formen (PPMS, SPMS) stellen immer noch einen ungedeckten biomedizinischen Bedarf dar.^[38] Antineoplastika werden in extrem fortgeschrittenen oder schwierigen Fällen eingesetzt.^[39]

Krankheitsmodifizierende Medikamente sind entscheidend, um den Demyelinisierungsprozess zu stoppen oder zumindest abzuschwächen, aber ebenso wichtig ist es, die Symptome zu behandeln, die sich aus einer bereits aufgetretenen Demyelinisierung ergeben. Die Ionenkanalmodulation wird mit dem Aufkommen neuer Ionenkanalblocker wie Ampyra (K-Kanal-Blockade) zunehmend vielversprechend.^[40]^[41] Die Kaliumkanalblockade soll die Erregbarkeit von Axonen verbessern. Das Problem ist, dass solche Eingriffe, obwohl sie bei der Behandlung negativer Symptome und der Wiederherstellung der Funktion wirksam sind, dazu neigen, positive Symptome zu verschlimmern.^[42] Umgekehrt kann die Behandlung positiver Symptome wie Spasmen mit Antiepileptika wie beispielsweise Carbamazepin negative Symptome verstärken.^[43] Tatsächlich reduziert das Blockieren von Na+-Kanälen nicht nur positive Symptome, es kann auch neuroprotektiv sein (weil die Ansammlung von Na+ dazu führt, dass Na+/Ca2+-Austauschmechanismen Neuronen mit Ca2+ beladen, das exzitotoxisch ist).^[44] (Abbildung 3), aber diese Vorteile gehen zu Lasten negativer Symptome. Daher und insbesondere bei einem Patienten, der eine Mischung aus positiven und negativen Symptomen aufweist, sind die Behandlungsmöglichkeiten eingeschränkt.

Mechanismen der demyelinisierungsbedingten Neurodegeneration. Demyelinisierung kann fortschreitend zu ionischen Ungleichgewichten, Energiekrise, Leitungsblock und schließlich Neurodegeneration führen. (A) ein normaler Knoten von Ranvier mit intakten juxtaparanodalen, paranodalen und nodalen Regionen, die darstellen

Na^{+},K^{+},Ca^{+}

Ionen fließen durch ihre jeweiligen Kanäle mit Mitochondrien, die das ATP für energieabhängige liefern

Na^{+},K^{+}ATP

asen, die die Ionengradienten wiederherstellen, die durch den Ionenfluss durch die Kanäle erschöpft sind. Im Axon sind zahlreiche verschiedene Ionenkanäle vorhanden, aber hier ist nur eine kleine Teilmenge dargestellt; (B) partielle Demyelinisierung führt zur Auflösung von Knotenionenkanälen, Energiemangel und Ungleichgewichten von Ionengradienten; (C) Eine vollständige Demyelinisierung kann zu einem Leitungsblock und einer axonalen Degeneration aufgrund der Akkumulation von intrazellulärem führen

Ca^{+}

die aus Energiekrisen und Störungen des Ionengleichgewichts resultieren. Abkürzungen:

K_{v}1

: Kaliumkanal Typ 1;

Na_{v}1.6

und

Na_{v}1.2

: Natriumkanaltypen 1.6 und 1.2;;

Na^{+},Ca^{+}

Tauscher:

Na^{+},Ca^{+}

Austauschpumpe;

Na^{+},K^{+}ATP

ase: ATP (Energie)-abhängig

Na^{+},K^{+}

Austauschpumpe; CASPR1: Contactin-assoziiertes Protein 1 (Wechselwirkungsmolekül zwischen myelinisierender Zelle und Axon);

NF55

: Neurofascin 155 (vorherrschendes Wechselwirkungsmolekül zwischen Myelin und Axon an der paranodalen Axo-Glia-Verbindung).

Die obige Diskussion wirft den wichtigen Punkt auf, dass, obwohl viel Lärm um Immunmechanismen gemacht wurde, ihre Verbindung mit klinischen Veränderungen weitgehend korreliert ist. Man muss die intermediären Wirkungen auf die axonale Funktion berücksichtigen, nämlich die primären und sekundären (kompensatorischen) Änderungen der Axon-Erregbarkeit, um zu verstehen, wie die neurologische Funktion verändert wird. Diese Veränderungen sind keine einfachen und direkten Folgen der Demyelinisierung, sondern legen stattdessen nahe, dass sich die axonale Physiologie selbst als Reaktion auf die Demyelinisierung verändert. Einige dieser Veränderungen sind adaptiv, während andere maladaptiv sind, oder vielleicht können adaptive Veränderungen maladaptiv werden, wenn sich die Situation (Myelinisierungsstatus) weiterentwickelt. Wenn Veränderungen in der Axonphysiologie die Manifestation verschiedener Symptome diktieren, dann wird die Symptombehandlung weitgehend auf Behandlungen fallen, die darauf abzielen, die Axonphysiologie zu manipulieren. Die strategische Entwicklung solcher Behandlungen erfordert ein tiefes, mechanistisches Verständnis der axonalen Erregbarkeit und ihrer Regulation.

Axonpathobiologie

Strukturelle und molekulare Veränderungen

Axone sind stark von Demyelinisierung betroffen. Die Axonmorphologie wird unregelmäßig oder geschwollen, oft mit einem perligen Aussehen. Eine fokale Akkumulation von Proteinen (durch schnellen axonalen Transport) wird ebenfalls beobachtet. Bei chronisch aktiven Plaques ist ein axonaler Verlust von 20–80 % in der weißen Substanz der Periplaque und in der normalen entfernten weißen Substanz erkennbar.^[45] Bei früh aktiven und chronisch aktiven Plaques wird angenommen, dass die Schädigung durch Entzündungs- und Immunfaktoren verursacht wird, die während der akuten entzündlichen Demyelinisierung freigesetzt werden. Vorgeschlagene Mediatoren umfassen Proteasen, Cytokine, Excitotoxine und freie Radikale. Neuronale Antigene sind Ziele einer Immunreaktion, die zu einer ZNS-Entzündung führt. Andere Faktoren, die eine axonale Dysfunktion oder den Tod verursachen, umfassen einen Mangel an trophischer Unterstützung durch Myelin und Oligodendrozyten, Schäden durch lösliche oder zelluläre Immunfaktoren, die noch in der inaktiven Plaque vorhanden sind, und chronisches Mitochondrienversagen bei erhöhtem Energiebedarf.^[46] Eine entscheidende Rolle für Oligodendrozyten und Schwann-Zellen beim Überleben von Axonen wurde auch den Peroxisomen, dem Lipidstoffwechsel und der Entgiftung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) zugeschrieben.^[47]

Remyelinisierung wird häufig als Schattenplaques beobachtet, die durch die Rekrutierung von undifferenzierten Oligodendrozyten-Vorläufern gebildet werden, die zu den Läsionen wandern und diese umgeben, wodurch dünne Schichten der Remyelinisierung ermöglicht werden.^[48] Dieser Prozess tritt meist in akuten aktiven Plaques auf, aber auch in chronischen Phasen. Diese Beobachtung löste die Entwicklung eines neuen monoklonalen Antikörpers aus, der gegen LINGO-1 gerichtet ist (Anti-LINGO-1). Die Bindung von LINGO-1 an Nogo-Rezeptoren verhindert remyelinisierende Prozesse im ZNS; die Hemmung dieser Wechselwirkung ermöglicht somit eine signifikante Remyelinisierung bei Tieren mit experimenteller autoimmuner Enzephalomyelitis.^[49]

Während des Krankheitsprozesses können autoreaktive Lymphozyten und Makrophagen die Blut-Hirn-Schranke überwinden und sich im Gehirn und Rückenmark ansammeln.^[50] Regulatorische Lymphozyten (Tregs) unterdrücken Effektorzellen nicht – meist zytotoxische CD8+-Zellen.^[51] Die Freisetzung von entzündungsfördernden Zytokinen rekrutiert naive Mikroglia, die durch Wechselwirkungen mit Fc- und Komplementrezeptoren Kontakt mit einer Oligodendrozyten-Myelin-Einheit aufnehmen. Ein zytotoxisches, den Tod auslösendes Signal wird dann durch den oberflächengebundenen Tumornekrosefaktor α (TNFα) übertragen..^[52] Dies tritt zusammen mit ausgedehnten axonalen Schäden auf.^[10]

Lucchinetti el al.^[46]schlugen vier unterschiedliche Immunmuster der Plaquebildung vor, die bei Patienten in verschiedenen Stadien der Krankheit gefunden wurden. Plaques vom Typ I und II werden von T-Lymphozyten- und Makrophagen-Entzündungen dominiert und es wird angenommen, dass sie T-Zell- bzw. T-Zell-plus-Antikörper-Autoimmun-Enzephalomyelitis-Modelle nachahmen. Myelinverlust in Typ-I-Plaques kann durch toxische Faktoren verursacht werden, die von aktivierten Makrophagen freigesetzt werden, während IgG- und Komplementablagerung auf eine Rolle von Antikörpern in Typ-II-Plaques hindeuten. Im Gegensatz dazu zeigen die Muster III und IV eine große Oligodendrozyten-Dystrophie. Es wird angenommen, dass Muster III mit Hypoxie-induzierten Läsionen zusammenhängt, die durch Defekte in der mitochondrialen Funktion verursacht werden,^[53] wohingegen Muster-IV-Läsionen mit tiefgreifendem nicht-apoptotischem Tod von Oligodendrozyten in der weißen Substanz der Periplaque assoziiert sind.

Barnett and Prineas^[54] analysierten Läsionen von Patienten direkt nach dem Einsetzen eines Rezidivs, während dessen eine aktive Plaquebildung andauerte. Ihre Ergebnisse legen nahe, dass Oligodendrozyten-Apoptose und Glia-Aktivierung während der frühen aktiven Plaquebildung in Abwesenheit von entzündlichen Lymphozyten oder Myelin-Phagozyten auftreten. Sie schlugen vor, dass die Anfälligkeit von Oligodendrozyten, die in Lucchinettis Typ-III-Muster beschrieben wird, in den frühen Stadien aller Plaquebildung vorhanden ist und der Auslöser für die nachfolgende postapoptotische Nekrose ist, die in späteren Stadien die Phagozytose von Myelin durch Makrophagen einleitet. In-vitro-Analysen dieses Prozesses haben Komplementkaskaden, Tumornekrosefaktoren oder gasförmige Second Messenger impliziert.^[55]Obwohl die Identifizierung von Plaques und die Überwachung ihres Fortschritts einen wichtigen klinischen Wert haben, gibt es nur eine bescheidene Korrelation zwischen der Belastung durch demyelinisierende Läsionen, wie sie durch herkömmliches MRI bestimmt wird, und der klinischen Behinderung von Patienten mit MS (siehe oben).

Funktionale Änderungen

Zu den Mechanismen der funktionellen Beeinträchtigung während der Demyelinisierung gehören häufig die Störung der transmembranen Na+-, K+- und Ca2+-Ionen, die Ausbreitung ihrer entsprechenden Ionenkanäle, eine Abnahme der Effizienz der AP-Leitung und eine daraus resultierende Stoffwechselkrise (Abbildung 3). Eine Demyelinisierung kann leicht einen Leitungsausfall innerhalb des betroffenen Axons erklären. Wenn die Leitung nicht vollständig ausfällt, kann die Leitungsgeschwindigkeit dennoch verlangsamt werden, und eine unterschiedliche Verlangsamung über verschiedene Axone kann variable Leitungsverzögerungen verursachen, die zu einem desynchronisierten Spiking führen.

Die Demyelinisierung ermöglicht auch, dass entblößte Axone eng aneinander liegen, wodurch die Voraussetzungen für ephaptische Wechselwirkungen und Übersprechen geschaffen werden.^[10] Eine Reflexion kann auch aufgrund einer Impedanzfehlanpassung zwischen myelinisierten und nicht myelinisierten Axonlängen auftreten. Andererseits kann Übererregbarkeit nicht direkt der Demyelinisierung zugeschrieben werden; Stattdessen müssen sekundäre Veränderungen der intrinsischen Erregbarkeit herangezogen werden, um Phänomene wie die Erzeugung ektopischer Spitzen und Nachentladung (AD) zu erklären. Veränderungen der Erregbarkeit stellen wahrscheinlich kompensatorische Veränderungen dar, die darauf abzielen, die Funktion nach der direkt durch Demyelinisierung verursachten Störung wiederherzustellen, was mit einem Prozess übereinstimmt, der als homöostatische Plastizität bezeichnet wird,^[56] aber diese Kompensation kann offensichtlich maladaptiv sein. Jedes der oben genannten Ergebnisse, die sich nicht gegenseitig ausschließen, trägt dazu bei, unterschiedliche Symptome hervorzurufen, die bei demyelinisierenden Erkrankungen beobachtet werden.

Paroxysmale Symptome, die durch das plötzliche Einsetzen oder Verstärken von Symptomen wie Spasmen oder stechenden Schmerzen gekennzeichnet sind, entstehen wahrscheinlich durch AD oder anderweitig unangemessenes Spiking vom Burst-Typ. Solche Spiking-Muster legen hochgradig nichtlineare Wechselwirkungen zwischen dem beitragenden Ionenstrom nahes^[57]^[58] and could, in theory at least, involve interactions between different regions of the neuron.^[59] Im Gegensatz zu allgemeineren Formen der Übererregbarkeit (z. B. erhöhte Feuerrate oder reduzierte Schwelle) sind diese spezifischen Muster in Bezug auf die genauen Mechanismen, durch die sie entstehen können, begrenzt. Daher kann die Identifizierung der Ionenkanalveränderungen, die diesen spezifischen Formen der Übererregbarkeit zugrunde liegen, dazu beitragen, die Suche nach Ionenkanalveränderungen einzuschränken, die für assoziierte, jedoch weniger ausgeprägte Formen der Übererregbarkeit verantwortlich sind.

Die Störung des Energiegleichgewichts in einem Neuron könnte sich auch tiefgreifend auf das Wohlbefinden des Neurons auswirken (Abbildung 3). Tatsächlich können kompensierende Änderungen gewisse Funktionen wiederherstellen, aber ohne das Hauptproblem umzukehren, können andere Probleme auftreten. Selbst wenn zum Beispiel ein Leitungsblock durch eine geeignete kompensierende Änderung der Erregbarkeit verhindert wird (d. h. eine, die nicht zu einer Übererregbarkeit führt), kann das System weniger energieeffizient sein. Der Verlust der Energieeinsparungen durch Saltatorische Leitung induziert eine kompensatorische mitochondriale Energieproduktion, die zu oxidativen Schäden und Neurodegeneration führen kann.^[53]^[60]^[61]

Es ist keine leichte Aufgabe, diese lange Liste neurobiologischer Veränderungen im Auge zu behalten, die Wechselbeziehungen zwischen diesen Veränderungen zu verstehen und diese Veränderungen letztendlich mit klinischen Manifestationen zu verknüpfen und eine wirksame Behandlung anzuwenden. Zu diesem Zweck ist die computergestützte Modellierung ein unschätzbares Werkzeug. Simulationen dienen nicht nur dazu, bereits bekannte Informationen zu organisieren, sondern identifizieren auch entscheidende Wissenslücken. Die vernünftige Verwendung von Computermodellen kann daher ein umfassenderes Verständnis ermöglichen und die effektivere Anwendung dieses Verständnisses erleichtern, wie unten erörtert.

Computermodellierung

Insbesondere in Verbindung mit traditionellen Experimenten ist die Computermodellierung unverzichtbar, um inkonsistente Daten und komplexe Mechanismen zu verstehen. Diese Vorteile werden durch die Anwendung von Simulationen in anderen Bereichen, wie z. B. Epilepsie, veranschaulicht.^[62] Hier geben wir einen Überblick über die Geschichte der computergestützten Modellierung von Axonen, Ionenleitfähigkeiten, der Physiologie von Myelin und Demyelinisierung, des Immunsystems, der Mitochondrien und anderer biologischer Faktoren, die für das Verständnis demyelinisierender Krankheiten entscheidend sind. Unsere Übersicht erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit, bietet jedoch eine breite Einführung in vergangene, gegenwärtige und zukünftige Bemühungen auf diesem Gebiet.

Modellierung von Axonen

Die computergestützte Modellierung von Axonen hat sich taxonomisch weiterentwickelt, von Tintenfisch- zu Säugetiergeweben mit einer entsprechenden Zunahme an Raffinesse. Das Modell von Hodgkin und Huxley (HH), das die erste gründliche Erklärung der AP-Erzeugung lieferte, wurde aus Experimenten an nicht myelinisierten Riesenaxonen von Tintenfischen abgeleitet,^[63]^[64] aber dieses frühe Modell hat sich als unschätzbares Werkzeug erwiesen, aus dem sich später anspruchsvollere Modelle myelinisierter Axone entwickelt haben.

Die räumliche und biophysikalische Heterogenität, die durch die Zugabe von Myelin verliehen wird, und die daraus resultierende Bildung von Knoten und internodalen Regionen, repräsentiert eine signifikante Erhöhung der Axonkomplexität. Das erste Computermodell eines myelinisierten Axons war ein eindimensionales Modell, das die Myelinscheide in das darunter liegende passive Axolemm kollabierte, eine einheitliche räumliche Schrittweite verwendete, um die diskrete Näherung zu bilden, die in der numerischen Lösung verwendet wurde, und eine HH-Charakterisierung der Knotenmembran verwendete.^[65] Goldman & Albus^[66] modifizierten dieses Modell, um eine Beschreibung der Knotenmembran aufzunehmen, die aus experimentellen Daten von myelinisierten Xenopus laevis-Nervenfasern abgeleitet wurde, wie von Frankenhaeuser & Huxley bestimmt.^[67] Nachfolgende Studien haben die gleiche Grundform für das Modell mit einigen Variationen für die Darstellung des Axolemma verwendet.^[15]^[68]^[69]^[70]^[71]^[72]^[73]^[74]^[75]^[76] Das Einzelkabelmodell, das das Axon und alle seine Leitfähigkeits- und Kapazitätseigenschaften in einer Kabelgleichung beschreibt, hat das Feld bis heute dominiert, trotz der Einführung von Doppelkabelmodellen durch Blight.^[77] In Doppelkabelmodellen werden das internodale Axolemm und die Myelinscheide unabhängig voneinander dargestellt. Das Doppelseilmodell wurde von Halter und Clark erweitert^[78]um die Auswirkungen der komplexen Geometrie von ZNS-Oligodendrozyten (oder Schwann-Zellen im Fall des PNS) zu untersuchen.

Neuere Modelle haben auch frühere Vereinfachungen verbessert, darunter die anatomische Komplexität des Ranvier-Knotens, die Verteilung von Ionenkanälen im Axon unter der Myelinscheide, die unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften der Myelinscheide und des Axolemmas und die Anpassung an einen möglichen Stromfluss darin der Periaxonalraum.^[78]^[79]^[80]^[81]^[82] Anatomische Darstellungen des paranodalen Bereichs haben eine detailliertere Beurteilung der Auswirkungen einer traumatischen Hirnverletzung (TBI) auf myelinisierte Axone ermöglicht.^[83]Eines der anatomisch ausgefeiltesten Modelle umfasst die Darstellung der komplexen wässrigen Hüllenstruktur von Myelinlamellen als eine Reihe von miteinander verbundenen parallelen Lamellen in einem Modell motorischer Nerven.^[30]^[80]

Neuere Modelle haben auch die ungleichmäßige Verteilung von Ionenkanälen im gesamten Axon berücksichtigt [19,84,85,86,87,88,89,90].^[19]^[84]^[85]^[86]^[87]^[88]^[89]^[90]Neben Ionenkanälen bieten energieabhängige Pumpen und andere Ionentransportmechanismen wichtige therapeutische Ziele für eine Reihe von neurologischen Störungen.^[91]^[92]^[93] In dieser Hinsicht kostet die Regulierung der Transmembran-Ionengradienten erhebliche Energie und wird selbst zu einer wichtigen Überlegung (siehe unten)..^[94] Dies gilt insbesondere, da das kleine Volumen von Axonen sie anfällig für Ionenkonzentrationsänderungen macht, die sich dramatisch auf die Antriebskräfte auswirken können und in Modellen problematisch werden können, die konstante intrazelluläre und extrazelluläre Konzentrationen annehmen. Aber neuere Modelle haben sich auch mit solchen Problemen befasst (siehe unten).

Alle oben genannten Modelle konzentrieren sich auf die Simulation der Änderung des Axonmembranpotentials, aber man hat nicht unbedingt experimentellen Zugang zu dieser Variablen, was natürlich die Bemühungen erschwert, Simulations- und experimentelle Daten zu vergleichen. Da extrazelluläre Aufzeichnungen die primäre Quelle elektrophysiologischer Daten von menschlichen Probanden sind, ist die mathematische Beschreibung des extrazellulären Feldpotentials klinisch von großem Interesse. Zur Berechnung dieser Potentiale werden mathematische Auswertungen auf der Grundlage von Laplace-Gleichungen und Fourier-Transformationen verwendet (manchmal auch als Line-Source-Modellierung bezeichnet, z.,.^[82]^[95]

Modellierung spezifischer Mechanismen

Über die Modellierung der normalen axonalen Funktion hinaus können Modelle verwendet werden, um bestimmte Mechanismen der axonalen Dysfunktion zu untersuchen, insbesondere wenn sie mit experimentellen Ergebnissen kombiniert werden, die die Mechanismen besser lokalisieren könnten.^[96]Zum Beispiel, Barrett and Barrett^[97] zeigten, dass das depolarisierende Nachpotential (DAP) empfindlich auf Änderungen der Leitfähigkeitsdichten und kapazitiven Änderungen reagiert, die während der Demyelinisierung auftreten können. Ein Modell von Blight wurde zur Simulation seiner experimentellen Aufnahmebedingungen entworfen^[77]^[98]und stellt ein einzelnes Internodium mit mehreren diskreten Segmenten und benachbarten Knoten und Internodien in einzelnen Segmenten mit konzentrierten Parametern dar. Dieses Modell umfasste K+-Kanäle im Axolemma des einzelnen multisegmentierten Internodiums und behandelt den Rest als rein passiv.

Aufbauend auf dieser Arbeit, mit sorgfältiger Beachtung anatomischer und elektrophysiologischer Details,McIntyre et al.^[81] befassten sich mit der Rolle des DAP und der Nachhyperpolarisation (AHP) im Erholungszyklus – dem ausgeprägten Muster der Schwellenfluktuation nach einem einzelnen Aktionspotential, das von menschlichen Nerven gezeigt wird. Die Simulationen legten unterschiedliche Rollen für aktive und passive Na+- und K+-Kanäle in beiden Nachpotentialen nahe und schlugen vor, dass Unterschiede in der AP-Form, Stärke-Dauer-Beziehung und dem Erholungszyklus von motorischen und sensorischen Nervenfasern kinetischen Unterschieden in den Knoten-Na+-Leitfähigkeiten zugeschrieben werden können . Richardsonet al.^[99] fanden auch heraus, dass eine Änderung des Standardmodells des „perfekten Isolators“ notwendig ist, um DAPs während der Hochfrequenzstimulation zu reproduzieren.

Die Temperaturempfindlichkeit von Demyelinisierungseffekten wurde ebenfalls rechnerisch untersucht. Zlochiver^[100] modellierten eine anhaltende Resonanzreflexion über eine einzelne fokale Demyelinisierungsplaque und stellten fest, dass dieser Effekt empfindlich auf Temperatur und Axondurchmesser reagierte. Alle diese Beispiele demonstrierten die Leistungsfähigkeit von Simulationen, um spezifische Mechanismen zu untersuchen, um beobachtete Phänomene aus der Klinik zu erklären und eine Anleitung für zukünftige Forschung zu bieten.

Wie oben erwähnt, manifestieren deutliche Veränderungen in der Axonfunktion wahrscheinlich bestimmte Funktionsgewinn- oder -verlustsymptome. Wenn man diese Änderungen in einem Rechenmodell reproduzieren könnte, könnten die notwendigen Parameteränderungen, die zum Umwandeln des Modells zwischen normalem und abnormalem Betrieb erforderlich sind, verwendet werden, um die zugrunde liegende Pathologie vorherzusagen. Im Idealfall kann dies zu konkreten Experimenten führen, in denen beispielsweise der verdächtige Ionenkanal direkt manipuliert wird, um zu sehen, ob seine akute Veränderung ausreicht, um bestimmte pathologische Veränderungen zu reproduzieren oder rückgängig zu machen. Jüngste Studien aus dem Prescott-Labor veranschaulichen diesen Prozess.^[101]^[102] Dieser Erfolg dieser Studien hing von fortschrittlichen Techniken ab, einschließlich der dynamischen Klemmtechnik, die verwendet wird, um zwischen normalen und abnormalen Spiking-Mustern und optogenetischen Werkzeugen zu wechseln. Der nächste Schritt besteht darin, Veränderungen in der Axonfunktion mit Krankheitssymptomen (oder ihren Verhaltenskorrelaten in Tiermodellen) zu verknüpfen.

In Hörnervenexperimenten Tagoe und Kollegen^[103] zeigten, dass Hörverlust im Zusammenhang mit morphologischen Veränderungen an Paranoden und Juxtaparanoden, einschließlich der Verlängerung des Hörnervs um Ranvier-Knoten, aus der Exposition gegenüber lautem Lärm resultieren kann. Hamann und Kollegen erweiterten diese Arbeit und bauten ein Computermodell, um mögliche Mechanismen zu untersuchen. Ihr Modell legte nahe, dass es wahrscheinlicher ist, dass eine Abnahme der Dichte von Na-Kanälen als eine Umverteilung von Na- oder K-Kanälen im Allgemeinen für die mit akustischer Überexposition verbundene Leitungshemmung verantwortlich ist.^[104] Dieses Experiment-Modell-Tandem demonstriert das aufschlussreiche Potenzial der Paarung von Computermodellen mit Laborexperimenten.

Mit einem mehrschichtigen Modell mit myelinisiertem Axon konnten Stephanova und Kollegen fortlaufend erfolgreich wahrscheinliche anatomische und physiologische Mängel identifizieren, die verschiedenen Symptomen und Zuständen im Zusammenhang mit der Demyelinisierung zugrunde liegen, indem sie Vergleiche mit den Schwellenverfolgungsmessungen von Patienten anstellten, einschließlich Latenzen, Refraktärität (die Erhöhung der Schwelle Strom während der relativen Refraktärzeit), Refraktärzeit, Supernormalität und Schwellenelektrotonuswerte, einschließlich Stimulus-Reaktions-Maßnahmen wie Strom-Schwellen-Beziehungen.^[21]Beispielsweise fanden sie heraus, dass eine leichte internodale systematische Demyelinisierung (ISD) ein spezifischer Indikator für CMT1A ist. Milde paranodale systematische Demyelinisierung (PSD) und paranodale systematische Demyelinisierung (PISD) sind spezifische Indikatoren für CIPD und ihre Subtypen. Schwere fokale Demyelinisierungen, internodal und paranodal, paranodal-internodal (IFD und PFD, PIFD) sind spezifische Indikatoren für erworbene demyelinisierende Neuropathien wie GBS und MMN [18] (siehe Abbildung 1).

Leichte systematische und schwere fokale Demyelinisierung entsprechen erblichen (CMT1A) und erworbenen (CIDP, GBS und MMN) Neuropathien (Tabelle 1). Es wurde auch festgestellt, dass 70 % der systematischen Demyelinisierung nicht ausreichen, um Symptome zu verursachen, und dass 96 % für einen Leitungsblock an einem einzelnen Knoten erforderlich sind [18]. Somit besteht ein großer Sicherheitsfaktor für die fokale Demyelinisierung. Mit ihrer temperaturabhängigen Version des Modells der myelinisierten menschlichen motorischen Nervenfaser, Stephanova und Daskalova^[105] zeigten, dass die elektrotonischen Potentiale bei Patienten mit CIDP während Hypo- und sogar leichter Hyperthermie einem hohen Blockierungsrisiko ausgesetzt sind, und deuten auf Mechanismen hin, die eine erhöhte Größe der polarisierenden elektrotonischen Knoten- und depolarisierenden internodalen elektrotonischen Potentiale, einen Anstieg der nach innen gerichteten Gleichrichter-K+- und Leck-K+-Ströme mit der Temperatur umfassen, und die Akkommodation bei lang anhaltender Hyperpolarisation ist größer als bei Depolarisation.


Table 1 Correspondence between types of demyelination and diseases according to Stephanova and Dimitrov.^[18]
Type of Demyelination	Corresponding Disease (PNS)
Internodal systematic demyelination (ISD)	Charcot-Marie-Tooth Disease Type 1A (CMT1A)
Paranodal systematic demyelination (PSD)	Chronic inflammatory demyelinating polyneuropathy (CIDP)
Paranodal + internodal demyelination (PISD)	Chronic inflammatory demyelinating polyneuropathy (CIPD) subtypes
Internodal focal demyelination (IFD)	Guillain-Barré (GBS)
Paranodal focal demyelination (PFD)	Multifocal Motor Neuropathy (MMN)
Paranodal + focal demyelination (PIFD)	Multifocal Motor Neuropathy (MMN)

Einfache Modelle und nichtlineare dynamische Analyse

Given the temporal dissociation between the manifestation of symptoms and the rates of demyelination and remyelination, homeostatic processes undoubtedly occur within axons, which include the redistribution of ion channels in demyelinated plaques.^[106]^[107]Angesichts der Vielfalt der Ionenkanäle, die von verschiedenen Axonen exprimiert werden, und des nur lückenhaften Wissens darüber, wie sich die Expressionsniveaus ändern, ist der Aufbau detaillierter Modelle zur Untersuchung dieser homöostatischen Prozesse problematisch. Besonders unter diesen Bedingungen können stark vereinfachte Modelle helfen, grundlegende Prinzipien zu identifizieren, wie die gemeinsame Verwendung von modifizierten HH- und Morris-Lecar-Modellen veranschaulicht [57,58]. Die Ergebnisse dieser Studien legten eine einfache Erklärung für die Breite der Symptome nahe, die während der Demyelinisierung auftreten, indem sie aufzeigten, dass das Verhältnis von Na+ zu Leck-K+-Leitfähigkeit, g(Na)/g(L), als ein Vier-Wege-Schalter fungierte, der die Erregungsmuster steuerte umfassten das Versagen der AP-Ausbreitung, die normale AP-Ausbreitung, AD und spontanes Spiking.

Weitere Studien mit diesem Modell legten das Potenzial für Konkurrenz oder Kooperation zwischen verschiedenen Regionen desselben Neurons nahe.^[59] Die Kooperation zwischen entfernten Orten ektopischer Spikings ermöglicht es, AD an verschiedenen Orten innerhalb eines einzelnen Axons zu initiieren und aufrechtzuerhalten, wodurch eine überzeugende Erklärung für die zeitlichen und räumlichen Diskontinuitäten von Schmerzen und anderen Symptomen bei MS-Patienten bereitgestellt wird. Bemerkenswerterweise wurden in einer kürzlich durchgeführten Studie über demyelinisierte Axone in einem Cuprizon-Mausmodell experimentelle Beweise für eine Umverteilung von Ionenkanälen aus dem Ranvier-Knoten, eine erhöhte ektopische Erregbarkeit zusammen mit antidrom vermehrten APs aus der demyelinisierten Plaque sowie eine kompensatorische Verschiebung gesehen in der Erregbarkeit von Membranen proximal zum Soma.^[108] Alle diese Beobachtungen stimmen mit den Berechnungsmodellvorhersagen von Coggan und Kollegen überein oder stimmen mit diesen überein und implizieren den Erfolg des Berechnungsansatzes zur Führung von Laborstudien.

Darüber hinaus ermöglichten diese vereinfachten Modelle die Anwendung mathematischer Werkzeuge zur Untersuchung der nichtlinearen Mechanismen, durch die AD initiiert und beendet wird.^[57]^[58]^[59] Bifurkationsanalysen zeigten die zugrunde liegende Bistabilität der Axonerregbarkeit unter pathologischen Bedingungen sowie die Faktoren, die den Übergang von einem Attraktorzustand zu einem anderen steuern. AD erfordert beispielsweise einen langsamen Einwärtsstrom, der zwei stabile Attraktorzustände ermöglicht, von denen einer der Ruhe und der andere dem wiederholten Spiking (einem Grenzzyklus) entspricht. Die Beendigung von AD wurde dadurch erklärt, dass der Attraktor, der mit wiederholtem Spiking verbunden ist, zerstört wird. Dies geschah, als eine ultralangsame negative Rückkopplung in Form einer intrazellulären Na+-Akkumulation die Zerstörung des Grenzzyklus-Attraktorzustands verursachte [58]. Andere Studien, die Bifurkationsanalysen verwenden, legen nahe, dass Änderungen der Ionenkonzentration eine langsame Dynamik einführen können, die für das Verständnis pathologischer Ergebnisse wichtig sein kann [94,109].^[94]^[109]

Modellierung im kleinen Maßstab

Die oben erwähnten Studien heben die Bedeutung von Änderungen der Ionenkonzentration hervor, aber jede von ihnen berücksichtigte diese Änderungen nur in einem relativ groben Maßstab. Die Studie von Lorpreore et al.^[110]befassten sich mit dem entmutigenden Problem der Modellierung der dreidimensionalen Elektrodiffusion von Ionenflüssen in Mikro- und Nanodomänen, die Ionenkanäle am Knoten von Ranvier umgeben. In diesem einzigartigen Modell werden die Ionenflüsse durch Poisson-Nernst-Planck-Gleichungen mit Finite-Volumen-Techniken berechnet. Die Flüsse und elektrischen Potentiale wurden innerhalb von Voxeln bewertet, die durch ein Delaunay-Voronoi-Netz des Axons innerhalb und außerhalb der Membran gebildet wurden. Wichtig ist, dass der Algorithmus validiert wurde und die Ergebnisse mit den Vorhersagen des Kabelmodells übereinstimmten. Abweichungen von Kabelmodellvorhersagen bei kleineren Clustergrößen zeigten die Bedeutung des eigenen elektrischen Felds jedes Kanals.

Das obige Beispiel unterstreicht den Punkt, dass Modelle mehr als Ionenkanäle und Membranpotential simulieren können. In der Tat können und müssen Modelle tiefer in biophysikalische Mechanismen wie Elektrodiffusion und in Signalwege eintauchen, die letztendlich dazu dienen, die Funktion und Expression von Ionenkanälen zu regulieren. Eine vielversprechende Methode namens Biochemical Systems Theory (BST) könnte in Zukunft nützlich sein, um die Wirkung von Arzneimitteln auf systemischer Ebene vorab zu überprüfen. Broome und Coleman^[111] demonstrierten die Leistungsfähigkeit dieser Technik durch die Modellierung mehrerer biochemischer Wege in Neuronen, die mit dem Zelltod während MS in Verbindung stehen, einschließlich der Bildung reaktiver Sauerstoff- und Stickstoffspezies, der Ca2+-Dynamik, der Bildung von Todeskomplexen, der Freisetzung von apoptotischen Faktoren und Entzündungsreaktionen zusammen mit drei verschiedenen Zuständen: normal, MS Krankheit und Behandlung. Auf atomarer Ebene wurde ein Computermodell der Struktur des Myelin-Basisproteins (MBP) durchgeführt, da posttranslationale Modifikationen von MBP zur Demyelinisierung bei MS beitragen können.^[112]Es ist wichtig, seine 3D-Struktur zu verstehen, um Interaktionsstellen mit anderen Molekülen vorherzusagen, aber eine Kristallstruktur für dieses Protein könnte niemals direkt gemessen werden. Diese Art der Modellierung kann daher einen effektiven Weg darstellen, um die Struktur vorherzusagen, indem das Wissen über die Aminosäuresequenz mit Informationen von ähnlichen Proteinen kombiniert wird. Die Herausforderung und die wahre Stärke der Modellierung liegt in der Verbindung von Mechanismen, die auf sehr unterschiedlichen Ebenen ablaufen, von der molekularen Struktur bis zum Nervensystem als Ganzes und darüber hinaus, um zu untersuchen, wie das Nervensystem mit dem Immunsystem interagiert.

Modelle von Immunfaktoren. Zwar gibt es zahlreiche Computermodelle des Immunsystems,^[113] diejenigen, die sich auf MS beziehen, modellieren typischerweise genetische Interaktionsnetzwerke, die entweder als Sätze gewöhnlicher Differentialgleichungen (ODEs) oder als Boolesche Netzwerke dargestellt werden. Ein systembiologisches Modell eines möglichen zellulären Mechanismus von RRMS fand einen Zusammenbruch der Homöostase von Effektor (Teff) und regulatorischen T (Treg) Zellen.^[114]^[115] Durch die Änderung von Parametern in der Teff-Treg-Rückkopplungsschleife reproduzierte das Modell unter kontinuierlichem stochastischen externen Stimulus von Antigenen spontane und scheinbar stochastische Immunrückfälle. Der irreversible Schaden aus jeder Episode sammelt sich im Laufe der Zeit an. Zu den neuartigen Vorhersagen gehört der Vorschlag, dass der Zeitpunkt der Treg-Immuntherapie im Immunreaktionszyklus entscheidend dafür ist, ob eine Intervention vorteilhaft oder schädlich ist.

Modelle der mitochondrialen Dysfunktion. Wie oben erwähnt, ermöglicht Myelin eine energieeffizientere AP-Leitung entlang des Axons. Der erhöhte Energiebedarf, der an das demyelinisierte Axon gestellt wird, stellt eine weitere Herausforderung für das betroffene Neuron dar. Über den Verlust der Salzleitung hinaus gibt es zunehmend Hinweise auf eine entscheidende Rolle von Astrozyten und Oligodendrozyten bei der Energieversorgung von Neuronen, und dieser Prozess war auch Gegenstand von Computermodellen.^[116]

Es gibt viele Möglichkeiten, wie die mitochondriale Funktion schief gehen kann, und die kompensatorischen Wege sind ebenso kompliziert.^[53]^[60]^[61]Beispielsweise kann eine mitochondriale Dysfunktion in einer gestörten Ca2+-Signalübertragung innerhalb der Mitochondrien, gestörten Protonengradienten oder Elektronenketten, einem Reduktions-Oxidations-Ungleichgewicht sowie den Folgen einer reduzierten ATP-Verfügbarkeit, lokal und global, verwurzelt sein. Beispielsweise wurden Multiskalenmodelle des Herzens verwendet, um eine veränderte mitochondriale Ca2+-Signalübertragung mit Arrhythmie in Verbindung zu bringen [60]. Unter Verwendung von mitochondrialen Netzwerkmodellen zeigte diese Studie, wie sogar etwas zu viele reaktive Sauerstoffspezies einen zellweiten Zusammenbruch des mitochondrialen Membranpotentials auslösen können. Dies ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie ein Computermodell Prozesse auf verschiedenen Ebenen verknüpfen kann, und genau diese Verknüpfungen müssen im Bereich der Demyelinisierungskrankheiten hergestellt werden.

Fehlende Verbindungen und die Notwendigkeit der Integration

Auf dem Gebiet der demyelinisierenden Erkrankungen haben sich die Modellierungsbemühungen traditionell auf Axonmodelle konzentriert, die darauf abzielen, verschiedene Aspekte der Erregbarkeit zu erklären. Aber wie oben skizziert, haben diese Modelle eine enorme Entwicklung in ihrer Komplexität durchlaufen. Dabei begannen sich Modelle auf verschiedenen biologischen Skalen zu verschmelzen. Beispielsweise haben jetzt Modelle begonnen, sich mit der Regulation von Ionenkonzentrationen und deren Folgen für langsame Erregbarkeitsänderungen, Energieverbrauch und Toxizität zu befassen. Ein computergestützter Ansatz wird notwendig sein, um parallele und multifaktorielle Ätiologien zu integrieren, die mit kognitivem Verfall verbunden sind, wie z. B. Signalübertragung des Immunsystems, Energiestoffwechsel, Wechselwirkungen zwischen grauer und weißer Substanz und genetische Netzwerke [117]..^[117] Diese fortgesetzten Bemühungen beginnen, die riesigen und miteinander verbundenen Rückkopplungsschleifen aufzudecken, die über eine breite Palette von räumlichen und zeitlichen Skalen hinweg wirken. Allerdings stecken solche Bemühungen noch in den Kinderschuhen und es bestehen noch große Lücken in der Modellierung demyelinisierender Erkrankungen. Es ist einfacher zu beschreiben, was modelliert wurde, als was nicht. Ein wirklich integriertes Modell mit mehreren Zelltypen, das alle hypothetischen ätiologischen Faktoren anspricht, ist noch nicht realisiert. Zu den unerforschten oder wenig erforschten, aber potenziell nützlichen Zielen für die Modellierung gehören die Pathologie der grauen Substanz, die wässrigen Schichten der Myelinscheide, der Energiestoffwechsel und vielleicht am wichtigsten die Multiskalen- oder integrierte Modellierung. Man sollte erkennen, dass die notwendigen Werkzeuge in anderen Studienbereichen vorhanden sind und daher leicht auf die Untersuchung von Demyelinisierungskrankheiten angewendet werden können.

Schlussfolgerungen

Die normale physiologische Funktion des ZNS oder PNS beruht auf einem stark regulierten Zusammenspiel von Neuronen, Glia, Gefäßsystem und Immunzellen. Dieser Prozess umfasst und integriert zahlreiche Zell- und Signalkomponenten, die ein dynamisches, rechnerisches Ganzes erzeugen. Wenn ein Teil schief geht, muss das gesamte System kompensieren. Selbst wenn es der Kompensation gelingt, die offensichtlichsten Folgen der Demyelinisierung zu retten, kehren bestimmte Prozesse möglicherweise nicht in einen völlig normalen Zustand zurück, was über längere Zeiträume zu Problemen führen kann. Die daraus resultierenden Symptome sind eine verwirrende Mischung aus direkten und kompensatorischen Veränderungen, die sich kontinuierlich weiterentwickeln. Die Gesamtkomplexität hat sich als unlösbar für eine effiziente experimentelle Dissektion erwiesen. Die Anwendung computergestützter Modellierungstechniken stellt einen unschätzbaren Ansatz dar, um aus der Sackgasse herauszukommen und eine neue Ära des Verständnisses und der Entdeckung einzuleiten.

Danksagungen

Unterstützung durch den Canadian Institutes of Health Research New Investigator Award und den Ontario Early Researcher Award (SAP). Wir danken Heiki Blum für die Unterstützung bei der Figurenvorbereitung.

Autorenbeiträge

Alle Autoren haben zum Verfassen dieses Manuskripts beigetragen. Zahlen wurden von Sven G. Meuth zur Verfügung gestellt.

Interessenskonflikte

Die Autoren geben keinen Interessenkonflikt an.

Artikelinformationen

Int J Mol Sci. 2015 Sep; 16(9): 21215–21236. Published online 2015 Sep 7. doi: 10.3390/ijms160921215 PMCID: PMC4613250 PMID: 26370960 Jay S. Coggan,1,* Stefan Bittner,2 Klaus M. Stiefel,1 Sven G. Meuth,2 and Steven A. Prescott3,4 Christoph Kleinschnitz, Academic Editor 1NeuroLinx Research Institute, La Jolla, CA 92039, USA; E-Mail: gro.xniloruen@sualk 2Department of Neurology, Institute of Physiology, Universitätsklinikum Münster, 48149 Münster, Germany; E-Mails: moc.kooltuo@renttib-nafets (S.B.); ed.retsneumku@htuem.nevs (S.G.M.) 3Neurosciences and Mental Health, the Hospital for Sick Children, Toronto, ON M5G 1X8, Canada; E-Mail: ac.sdikkcis@ttocserp.evets 4Department of Physiology and the Institute of Biomaterials and Biomedical Engineering, University of Toronto, Toronto, ON M5G 1X8, Canada

Autor, an den die Korrespondenz gerichtet werden soll; E-Mail: gro.xniloruen@yaj; Tel.: +1-858-243-6720.

Received 2015 May 26; Accepted 2015 Aug 25. Copyright © 2015 by the authors; licensee MDPI, Basel, Switzerland. Dieser Artikel ist ein Open-Access-Artikel, der unter den Bedingungen der Creative Commons Attribution-Lizenz verbreitet wird (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Artikel aus dem International Journal of Molecular Sciences werden hier mit freundlicher Genehmigung des Multidisciplinary Digital Publishing Institute (MDPI) bereitgestellt.

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 Additional article information
-== Abstract ==
+== Abstrakt ==
-Despite intense research, few treatments are available for most neurological disorders. Demyelinating diseases are no exception. This is perhaps not surprising considering the multifactorial nature of these diseases, which involve complex interactions between immune system cells, glia and neurons. In the case of multiple sclerosis, for example, there is no unanimity among researchers about the cause or even which system or cell type could be ground zero. This situation precludes the development and strategic application of mechanism-based therapies. We will discuss how computational modeling applied to questions at different biological levels can help link together disparate observations and decipher complex mechanisms whose solutions are not amenable to simple reductionism. By making testable predictions and revealing critical gaps in existing knowledge, such models can help direct research and will provide a rigorous framework in which to integrate new data as they are collected. Nowadays, there is no shortage of data; the challenge is to make sense of it all. In that respect, computational modeling is an invaluable tool that could, ultimately, transform how we understand, diagnose, and treat demyelinating diseases.
+Trotz intensiver Forschung stehen für die meisten neurologischen Erkrankungen nur wenige Behandlungen zur Verfügung. Demyelinisierende Erkrankungen sind keine Ausnahme. Dies ist vielleicht nicht überraschend angesichts der multifaktoriellen Natur dieser Krankheiten, die komplexe Wechselwirkungen zwischen Zellen des Immunsystems, Glia und Neuronen umfassen. Bei Multipler Sklerose zum Beispiel herrscht unter Forschern Uneinigkeit über die Ursache oder gar welches System oder welcher Zelltyp Ground Zero sein könnte. Diese Situation schließt die Entwicklung und strategische Anwendung mechanismusbasierter Therapien aus. Wir werden diskutieren, wie Computermodellierung, die auf Fragen auf verschiedenen biologischen Ebenen angewendet wird, dabei helfen kann, unterschiedliche Beobachtungen miteinander zu verknüpfen und komplexe Mechanismen zu entschlüsseln, deren Lösungen einem einfachen Reduktionismus nicht zugänglich sind. Indem sie überprüfbare Vorhersagen treffen und kritische Lücken im vorhandenen Wissen aufdecken, können solche Modelle die Forschung unterstützen und einen rigorosen Rahmen bieten, in den neue Daten integriert werden können, sobald sie gesammelt werden. Heutzutage gibt es keinen Mangel an Daten; Die Herausforderung besteht darin, dem Ganzen einen Sinn zu geben. In dieser Hinsicht ist die Computermodellierung ein unschätzbares Werkzeug, das letztendlich unser Verständnis, die Diagnose und Behandlung von demyelinisierenden Krankheiten verändern könnte.
-Keywords: myelin, demyelination, multiple sclerosis, neurodegenerative disease, computational model, drug discovery
+Schlüsselwörter: Myelin, Demyelinisierung, Multiple Sklerose, neurodegenerative Erkrankung, Computermodell, Wirkstoffforschung
-== Introduction ==
-The nervous systems of vertebrates are often divided into grey and white matter based on their appearance and corresponding functional roles. While the grey matter consists largely of cell bodies and dendrites, white matter contains mostly axons and gets its name from the lipid membrane sheets called myelin that are wound tightly around those axons.<ref>Virchow R. Uber das ausgebreitete Vorkommen einer dem Nervenmark analogen Substanz in den tierischen Geweben. Virchows Arch. Pathol. Anat. 1854;6:562–572. doi: 10.1007/BF02116709. [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Myelin originates from different classes of glial cells referred to as oligodendrocytes in the central nervous system (CNS) and Schwann cells in the peripheral nervous system (PNS).
-The electrical insulation provided by the myelin sheets improves axonal function by increasing both the energy efficiency and conduction velocity of action potentials (APs). These two functions may have switched their relative importance during evolution.<ref>Stiefel K.M., Torben-Nielsen B., Coggan J.S. Proposed evolutionary changes in the role of myelin. Front. Neurosci. 2013;8 doi: 10.3389/fnins.2013.00202.[PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Myelin first appeared in the Ordovician (485 to 443 ma, or million years before the present) after the split of lamprey and hagfish ancestors from the remainder of the vertebrate lineages.<ref>Bullock T.H., Moore J.K., Fields R.D. Evolution of myelin sheaths: Both lamprey and hagfish lack myelin. Neurosci. Lett. 1984;48:145–148. doi: 10.1016/0304-3940(84)90010-7. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> With some interesting exceptions,<ref>Davis A.D., Weatherby T.M., Hartline D.K., Lenz P.H. Myelin-like sheaths in copepod axons. Nature. 1999;398:571–571. doi: 10.1038/19212. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Hartline D.K., Colman D.R. Rapid conduction and the evolution of giant axons and myelinated fibers. Curr. Biol. 2007;17:R29–R35. doi: 10.1016/j.cub.2006.11.042. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> myelin or analogous structures are found in all vertebrates and is critical for the proper functioning of their nervous systems. The approximate time of the evolution of myelin can be deduced from the known time of divergence between chordates without (agnatha) and with (all other vertebrates) myelin.
+== Einführung ==
+Die Nervensysteme von Wirbeltieren werden aufgrund ihres Aussehens und der entsprechenden funktionellen Rollen oft in graue und weiße Substanz unterteilt. Während die graue Substanz größtenteils aus Zellkörpern und Dendriten besteht, enthält die weiße Substanz hauptsächlich Axone und hat ihren Namen von den Lipidmembranschichten namens Myelin, die eng um diese Axone gewickelt sind.<ref>Virchow R. Uber das ausgebreitete Vorkommen einer dem Nervenmark analogen Substanz in den tierischen Geweben. Virchows Arch. Pathol. Anat. 1854;6:562–572. doi: 10.1007/BF02116709. [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Myelin stammt aus verschiedenen Klassen von Gliazellen, die als Oligodendrozyten im Zentralnervensystem (ZNS) und Schwann-Zellen im peripheren Nervensystem (PNS) bezeichnet werden.
-The myelin wrapping is interrupted by regularly spaced, un-myelinated stretches known as the nodes of Ranvier. Myelin speeds up conduction by restricting transmembrane charge flow through ion channels located within the nodes. Within the so-called internodes, current flows down the axon with little of it passing across the insulated cell membrane. The AP is regenerated at each node where the density of voltage-gated sodium and potassium channels is very high. This process is called “saltatory conduction” since the AP seems to jump from node to node. Disruptions in this rapid-fire communications system can be associated with an array of nervous systems dysfunctions.<ref>Arancibia-Carcamo I.L., Attwell D. The node of ranvier in CNS pathology. Acta Neuropathol. 2014;128:161–175. doi: 10.1007/s00401-014-1305-z.[PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref>
+Die durch die Myelinschichten bereitgestellte elektrische Isolierung verbessert die axonale Funktion, indem sie sowohl die Energieeffizienz als auch die Leitungsgeschwindigkeit von Aktionspotentialen (APs) erhöht. Diese beiden Funktionen haben möglicherweise ihre relative Bedeutung während der Evolution geändert.<ref>Stiefel K.M., Torben-Nielsen B., Coggan J.S. Proposed evolutionary changes in the role of myelin. Front. Neurosci. 2013;8 doi: 10.3389/fnins.2013.00202.[PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Myelin tauchte erstmals im Ordovizium (485 bis 443 ma oder Millionen Jahre vor der Gegenwart) auf, nachdem sich die Vorfahren der Neunaugen und Schleimaale von den übrigen Wirbeltierlinien abgespalten hatten.<ref>Bullock T.H., Moore J.K., Fields R.D. Evolution of myelin sheaths: Both lamprey and hagfish lack myelin. Neurosci. Lett. 1984;48:145–148. doi: 10.1016/0304-3940(84)90010-7. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref>Mit einigen interessanten Ausnahmen,<ref>Davis A.D., Weatherby T.M., Hartline D.K., Lenz P.H. Myelin-like sheaths in copepod axons. Nature. 1999;398:571–571. doi: 10.1038/19212. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Hartline D.K., Colman D.R. Rapid conduction and the evolution of giant axons and myelinated fibers. Curr. Biol. 2007;17:R29–R35. doi: 10.1016/j.cub.2006.11.042. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Myelin oder analoge Strukturen kommen in allen Wirbeltieren vor und sind entscheidend für das reibungslose Funktionieren ihres Nervensystems. Der ungefähre Zeitpunkt der Entwicklung von Myelin kann aus der bekannten Zeit der Divergenz zwischen Akkordaten ohne (Agnatha) und mit (alle anderen Wirbeltiere) Myelin abgeleitet werden.
-In several regards, axons appear to operate at physical limits. One interesting example is that the size of axons seems to be constrained by the thermal noise intrinsic to ion channel proteins; any axon thinner than 0.1 μm would be useless for information transfer due to its high noise levels.<ref>Faisal A.A., White J.A., Laughlin S.B. Ion-channel noise places limits on the miniaturization of the brain’s wiring. Curr. Biol. 2005;15:1143–1149. doi: 10.1016/j.cub.2005.05.056. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Intriguingly, 0.1 μm is also roughly the smallest axon diameter observed in nervous systems [7]. This and similar findings suggest that axons and their substructures are finely tuned biological devices, but that tuning can evidently be disrupted under pathological conditions.<ref>Babbs C.F., Riyi S. Subtle paranodal injury slows impulse conduction in a mathematical model of myelinated axons. PLoS ONE. 2013;8:e67767. doi: 10.1371/journal.pone.0067767. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref>
+Die Myelinumhüllung wird durch regelmäßig beabstandete, nicht myelinisierte Abschnitte unterbrochen, die als Ranvier-Knoten bekannt sind. Myelin beschleunigt die Leitung, indem es den transmembranen Ladungsfluss durch Ionenkanäle innerhalb der Knoten einschränkt. Innerhalb der sogenannten Internodien fließt Strom das Axon hinunter, wobei nur wenig davon durch die isolierte Zellmembran fließt. Das AP wird an jedem Knoten regeneriert, an dem die Dichte der spannungsgesteuerten Natrium- und Kaliumkanäle sehr hoch ist. Dieser Vorgang wird als „saltatorische Leitung“ bezeichnet, da der AP scheinbar von Knoten zu Knoten springt. Störungen in diesem Schnellfeuer-Kommunikationssystem können mit einer Reihe von Funktionsstörungen des Nervensystems in Verbindung gebracht werden.<ref>Arancibia-Carcamo I.L., Attwell D. The node of ranvier in CNS pathology. Acta Neuropathol. 2014;128:161–175. doi: 10.1007/s00401-014-1305-z.[PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref>
-Demyelination sets in motion functional changes that are important for clinical features but which are not readily explained by immunological or radiological changes. Location of a plaque predicts what system will be affected (motor vs. sensory, visual vs. tactile) but not how it will be affected. This highlights the importance of assessing function (in addition to structure) and how it changes following demyelination. After introducing demyelinating diseases, we will discuss how the clinical manifestations of those diseases reflect diverse pathological changes in axon function. We will argue that understanding those changes and fully capitalizing on that understanding for diagnostic and therapeutic purposes can benefit enormously from computational modeling.
+Axone scheinen in mehrfacher Hinsicht an physikalischen Grenzen zu operieren. Ein interessantes Beispiel ist, dass die Größe von Axonen durch das thermische Rauschen beschränkt zu sein scheint, das Ionenkanalproteinen innewohnt; Jedes Axon, das dünner als 0,1 μm ist, wäre aufgrund seines hohen Rauschpegels für die Informationsübertragung unbrauchbar.<ref>Faisal A.A., White J.A., Laughlin S.B. Ion-channel noise places limits on the miniaturization of the brain’s wiring. Curr. Biol. 2005;15:1143–1149. doi: 10.1016/j.cub.2005.05.056. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Interessanterweise ist 0,1 μm auch ungefähr der kleinste Axondurchmesser, der in Nervensystemen beobachtet wird [7]. Diese und ähnliche Ergebnisse deuten darauf hin, dass Axone und ihre Unterstrukturen fein abgestimmte biologische Geräte sind, dass die Abstimmung jedoch offensichtlich unter pathologischen Bedingungen gestört werden kann.<ref>Babbs C.F., Riyi S. Subtle paranodal injury slows impulse conduction in a mathematical model of myelinated axons. PLoS ONE. 2013;8:e67767. doi: 10.1371/journal.pone.0067767. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref>
-== Demyelinating Diseases ==
+Die Demyelinisierung setzt funktionelle Veränderungen in Gang, die für klinische Merkmale wichtig sind, aber nicht ohne weiteres durch immunologische oder radiologische Veränderungen erklärt werden können. Die Lage einer Plaque sagt voraus, welches System betroffen sein wird (motorisch vs. sensorisch, visuell vs. taktil), aber nicht, wie es betroffen sein wird. Dies unterstreicht die Bedeutung der Beurteilung der Funktion (zusätzlich zur Struktur) und wie sie sich nach der Demyelinisierung verändert. Nach der Einführung demyelinisierender Krankheiten werden wir erörtern, wie die klinischen Manifestationen dieser Krankheiten verschiedene pathologische Veränderungen der Axonfunktion widerspiegeln. Wir werden argumentieren, dass das Verständnis dieser Veränderungen und die vollständige Nutzung dieses Verständnisses für diagnostische und therapeutische Zwecke enorm von der Computermodellierung profitieren können.
-[[File:Jay S. Coggan1.jpeg|thumb|Figure 1: Demyelinating disorders of the peripheral nervous system (PNS). ('''A''') Primary demyelinating polyneuropathies and ('''B''') Polyneuropathies with axon damage. Abbreviations: CMT 1, 2 and 4: Charcot-Marie-Tooth disease; CMTX: X-linked Charcot-Marie-Tooth disease; HNPP: hereditary neuropathy with liability to pressure palsies; AIDP: acute inflammatory demyelinating polyneuropathy; GBS: Guillain-Barré syndrome. CIDP: chronic inflammatory demyelinating polyneuropathy; MGUS: monoclonal gammopathy of undetermined significance; POEMS: polyneuropathy, organomegaly, endocrinopathy or edema M-protein and skin abnormalities; HSAN I–IV: hereditary sensory and autonomic neuropathy.|500x500px]]There are a large number of demyelinating diseases affecting both the PNS (Figure 1) and CNS (Figure 2). The etiologies are heterogeneous, ranging from genetic disorders to metabolic, infectious or autoimmune mechanisms. Multiple sclerosis (MS) is the most prevalent of these disorders, with an estimated 3 million patients worldwide. Its underlying cause is uncertain but is thought to involve genetic predisposition to environmental agents<ref name=":0">Trapp B.D., Nave K.A. Multiple sclerosis: An immune or neurodegenerative disorder? Annu. Rev. Neurosci. 2008;31:247–69. doi: 10.1146/annurev.neuro.30.051606.094313. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref name=":1">Compston A., Coles A. Multiple sclerosis. Lancet. 2008;372:1502–1517. doi: 10.1016/S0140-6736(08)61620-7. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> and can involve immunological, responsiveness to trauma, biophysical, genetic and/or metabolic components.<ref name=":1" /> The symptoms and lesions must be multiple in both time and space. That is, there must be multiple episodes in time, involving disconnected parts of the central nervous system. It is not clear whether inflammatory demyelination is a primary or secondary event within the disease process.<ref name=":0" /><ref>Ostermann P.O., Westerberg C.E. Paroxysmal attacks in multiple sclerosis. Brain. 1975;98:189–202. doi: 10.1093/brain/98.2.189. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Twomey J.A., Espir M.L. Paroxysmal symptoms as the first manifestations of multiple sclerosis. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry. 1980;43:296–304. doi: 10.1136/jnnp.43.4.296. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Most treatments target the immune system or the blood-brain barrier, but managing neurological symptoms through modulation of axonal excitability also plays an important role (see below).
-[[File:Jay S. Coggan 2.jpeg|left|thumb|Figure 2: Demyelinating disorders of the central nervous system (CNS). Abbreviations: MS: multiple sclerosis; ADEM: acute disseminated encephalomyelitis; HIV: human immunodeficiency virus; PML: progressive multifocal leukoencephalopathy; HTLV-1: human T-lymphotropic virus 1; PRES: posterior reversible encephalopathy syndrome.]]
-=== Clinical Assessment of Multiple Sclerosis ===
+== Demyelinisierende Krankheiten ==
-Symptoms are diverse and can occur in all combinations within an individual patient. Diagnosis requires that there must be multiple lesions and symptomatic episodes over time, involving disconnected parts of the CNS. Furthermore, symptoms tend to be poorly correlated with radiological measures. In the great majority of cases, individual clinical characteristics do not correlate well with MRI findings, especially for cerebral lesions.<ref>Seewann A., Vrenken H., van der Valk P., Blezer E.L., Knol D.L., Castelijns J.A., Polman C.H., Pouwels P.J., Barkhof F., Geurts J.J. Diffusely abnormal white matter in chronic multiple sclerosis: Imaging and histopathologic analysis. Arch. Neurol. 2009;66:601–609. doi: 10.1001/archneurol.2009.57. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Ceccarelli A., Bakshi R., Neema M. MRI in multiple sclerosis: A review of the current literature. Curr. Opin. Neurol. 2012;25:402–409. doi: 10.1097/WCO.0b013e328354f63f. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref name=":2">Moore J.W., Joyner R.W., Brill M.H., Waxman S.D., Najar-Joa M.  Simulations of conduction in uniform myelinated fibers. Relative sensitivity to changes in nodal and internodal parameters. Biophys. J. 1978;21:147–160. doi: 10.1016/S0006-3495(78)85515-5. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> This clinico-radiologic dissociation begs for better theoretical understanding of demyelination symptoms and the underlying biophysical changes that accompany them, which of course raises the question of what exactly happens to the affected axons.
+[[File:Jay S. Coggan1.jpeg|thumb|Abbildung 1: Demyelinisierende Erkrankungen des peripheren Nervensystems (PNS). ('''A''') Primäre demyelinisierende Polyneuropathien und ('''B''') Polyneuropathien mit Axonschädigung. Abkürzungen: CMT 1, 2 und 4: Charcot-Marie-Tooth-Krankheit; CMTX: X-chromosomale Charcot-Marie-Tooth-Erkrankung; HNPP: erbliche Neuropathie mit Neigung zu Drucklähmungen; AIDP: akute entzündliche demyelinisierende Polyneuropathie; GBS: Guillain-Barré-Syndrom. CIDP: chronisch entzündliche demyelinisierende Polyneuropathie; MGUS: monoklonale Gammopathie unbestimmter Bedeutung; POEMS: Polyneuropathie, Organomegalie, Endokrinopathie oder Ödem M-Protein und Hautanomalien; HSAN I–IV: hereditäre sensorische und autonome Neuropathie.|500x500px]]Es gibt eine große Anzahl demyelinisierender Erkrankungen, die sowohl das PNS (Abbildung 1) als auch das ZNS (Abbildung 2) betreffen. Die Ätiologien sind heterogen und reichen von genetischen Störungen bis hin zu metabolischen, infektiösen oder Autoimmunmechanismen. Multiple Sklerose (MS) ist mit schätzungsweise 3 Millionen Patienten weltweit die am weitesten verbreitete dieser Erkrankungen. Die zugrunde liegende Ursache ist ungewiss, es wird jedoch angenommen, dass sie eine genetische Veranlagung für Umwelteinflüsse beinhaltet<ref name=":0">Trapp B.D., Nave K.A. Multiple sclerosis: An immune or neurodegenerative disorder? Annu. Rev. Neurosci. 2008;31:247–69. doi: 10.1146/annurev.neuro.30.051606.094313. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref name=":1">Compston A., Coles A. Multiple sclerosis. Lancet. 2008;372:1502–1517. doi: 10.1016/S0140-6736(08)61620-7. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref>und kann immunologische, Reaktionsfähigkeit auf Traumata, biophysikalische, genetische und/oder metabolische Komponenten umfassen.<ref name=":1" />Die Symptome und Läsionen müssen zeitlich und räumlich vielfältig sein. Das heißt, es müssen zeitlich mehrere Episoden auftreten, an denen getrennte Teile des zentralen Nervensystems beteiligt sind. Es ist nicht klar, ob die entzündliche Demyelinisierung ein primäres oder sekundäres Ereignis innerhalb des Krankheitsprozesses ist.<ref name=":0" /><ref>Ostermann P.O., Westerberg C.E. Paroxysmal attacks in multiple sclerosis. Brain. 1975;98:189–202. doi: 10.1093/brain/98.2.189. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Twomey J.A., Espir M.L. Paroxysmal symptoms as the first manifestations of multiple sclerosis. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry. 1980;43:296–304. doi: 10.1136/jnnp.43.4.296. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Die meisten Behandlungen zielen auf das Immunsystem oder die Blut-Hirn-Schranke ab, aber auch die Behandlung neurologischer Symptome durch Modulation der axonalen Erregbarkeit spielt eine wichtige Rolle (siehe unten)..
+[[File:Jay S. Coggan 2.jpeg|left|thumb|Abbildung 2: Demyelinisierende Erkrankungen des Zentralnervensystems (ZNS). Abkürzungen: MS: Multiple Sklerose; ADEM: akute disseminierte Enzephalomyelitis; HIV: menschliches Immunschwächevirus; PML: progressive multifokale Leukenzephalopathie; HTLV-1: menschliches T-lymphotropes Virus 1; PRES: posteriores reversibles Enzephalopathie-Syndrom.]]
-Symptoms are often intermittent and can include both loss-of-function (negative symptoms such as numbness, muscle weakness, tingling, blindness, incontinence, loss of sexual function, loss of balance, slurred speech, constipation, disabling fatigue, depression, cognitive dysfunction, inability to swallow, gait disruption and loss of breathing control) and gain-of-function (positive symptoms such as spasms, spasticity, cramps, pain, blurred or double vision, urinary urgency or hesitancy, nausea, among others).<ref>Waxman S.G., Kocsis J.D., Stys P.K.  The Axon: Structure, Function and Pathophysiology. Oxford University Press; New York, NY, USA: 1995. [Google Scholar]</ref> Early differential diagnostic criteria include Lhermitte’s sign (neck flexion-related sensations) and Uhthoff’s phenomenon (temperature-dependent worsening of symptoms). The differential diagnosis of MS closely follows the McDonald criteria.<ref>Polman C.H., Reingold S.C., Banwell B., Clanet M., Cohen J.A., Filippi M., Fujihara K., Havrdova E., Hutchinson M., Kappos L., et al. Diagnostic criteria for multiple sclerosis: 2010 revisions to the McDonald criteria. Ann. Neurol. 2011;69:292–302. doi: 10.1002/ana.22366. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref>
+=== Klinische Bewertung von Multipler Sklerose ===
+Die Symptome sind vielfältig und können bei einem einzelnen Patienten in allen Kombinationen auftreten. Die Diagnose erfordert, dass im Laufe der Zeit mehrere Läsionen und symptomatische Episoden vorliegen müssen, an denen nicht verbundene Teile des ZNS beteiligt sind. Darüber hinaus neigen die Symptome dazu, schlecht mit radiologischen Messungen zu korrelieren. In den allermeisten Fällen korrelieren individuelle klinische Merkmale nicht gut mit MRT-Befunden, insbesondere bei zerebralen Läsionen.<ref>Seewann A., Vrenken H., van der Valk P., Blezer E.L., Knol D.L., Castelijns J.A., Polman C.H., Pouwels P.J., Barkhof F., Geurts J.J. Diffusely abnormal white matter in chronic multiple sclerosis: Imaging and histopathologic analysis. Arch. Neurol. 2009;66:601–609. doi: 10.1001/archneurol.2009.57. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Ceccarelli A., Bakshi R., Neema M. MRI in multiple sclerosis: A review of the current literature. Curr. Opin. Neurol. 2012;25:402–409. doi: 10.1097/WCO.0b013e328354f63f. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref name=":2">Moore J.W., Joyner R.W., Brill M.H., Waxman S.D., Najar-Joa M.  Simulations of conduction in uniform myelinated fibers. Relative sensitivity to changes in nodal and internodal parameters. Biophys. J. 1978;21:147–160. doi: 10.1016/S0006-3495(78)85515-5. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Diese klinisch-radiologische Dissoziation verlangt nach einem besseren theoretischen Verständnis der Demyelinisierungssymptome und der zugrunde liegenden biophysikalischen Veränderungen, die sie begleiten, was natürlich die Frage aufwirft, was genau mit den betroffenen Axonen passiert.
-In human diagnostic studies of visual, sensory or motor evoked potentials (VEP, SEP, MEP), only latency or conduction velocity can be measured accurately (with approximately 30%–40% variations between different laboratories). But these measures give little clue about underlying mechanisms that involve conduction slowing or block, or morphological or functional factors such as branching, demyelination, remyelination, axonal tapering (decrease in cross-sectional area), attenuation or regrowth, temperature-related changes in conduction, or malpolarization (hyper or hypo). Nonetheless, the type of demyelinating lesion can yield clues regarding etiology and therefore guide treatment; for example, genetic factors seem to more strongly correlate to internodal disease processes and immunological dysfunctions cause paranodal abnormalities.<ref name=":3">Stephanova D.I., Dimitrov B.  Computational Neuroscience: Simulated Demyelinating Neuropathies and Neuronopathies. CRC Press; Boca Raton, FL, USA: 2013.  [Google Scholar]</ref>
+Die Symptome sind oft intermittierend und können sowohl Funktionsverlust (negative Symptome wie Taubheitsgefühl, Muskelschwäche, Kribbeln, Blindheit, Inkontinenz, Verlust der Sexualfunktion, Gleichgewichtsverlust, undeutliche Sprache, Verstopfung, beeinträchtigende Müdigkeit, Depression, kognitive Dysfunktion) umfassen , Unfähigkeit zu schlucken, Gangstörungen und Verlust der Atemkontrolle) und Funktionsgewinn (unter anderem positive Symptome wie Krämpfe, Spastik, Krämpfe, Schmerzen, verschwommenes oder doppeltes Sehen, Harndrang oder Zögern, Übelkeit)..<ref>Waxman S.G., Kocsis J.D., Stys P.K.  The Axon: Structure, Function and Pathophysiology. Oxford University Press; New York, NY, USA: 1995. [Google Scholar]</ref>Frühe differenzialdiagnostische Kriterien sind das Lhermitte-Zeichen (Halsbeugegefühle) und das Uhthoff-Phänomen (temperaturabhängige Verschlechterung der Beschwerden). Die Differenzialdiagnose der MS richtet sich eng nach den McDonald-Kriterien.<ref>Polman C.H., Reingold S.C., Banwell B., Clanet M., Cohen J.A., Filippi M., Fujihara K., Havrdova E., Hutchinson M., Kappos L., et al. Diagnostic criteria for multiple sclerosis: 2010 revisions to the McDonald criteria. Ann. Neurol. 2011;69:292–302. doi: 10.1002/ana.22366. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref>
-A number of tests are routinely used to assess the neural function. In electroneurography, a brief electrical stimulus is applied to a peripheral nerve at an anatomically predefined position in order to measure the latency and amplitude of the compound action potential at another location along the nerve. Results need to be interpreted in combination with clinical findings and tests (e.g., electromyography) but, importantly, different diseases exhibit different patterns of electroneurographic changes. This is important not only for diagnostic purposes but can also point to specific pathological changes in axon function which could, in turn, help guide the choice of therapy (if the axon pathobiology were understood; see below). Using threshold tracking, excitability has been measured in humans for the several peripheral demyelinating diseases including Charcot-Marie-Tooth Disease Type 1A (CMT1A), chronic inflammatory demyelinating polyneuropathy (CIDP), Guillain-Barré syndrome (GBS) and multifocal motor neuropathy (MMN).<ref name=":4">Bostock H., Baker M., Reid G. Changes in excitability of human motor axons underlying post-ischaemic fasciculations: Evidence for two stable states. J. Physiol. 1991;441:537–557. doi: 10.1113/jphysiol.1991.sp018766.[PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Mogyoros I., Kiernan M.C., Burke D., Bostock H. Strength-duration properties of sensory and motor axons in amyotrophic lateral sclerosis. Brain. 1998;121:851–859. doi: 10.1093/brain/121.5.851. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref name=":5">Kiernan M.C., Burke D., Andersen K.V., Bostock H. Multiple measures of axonal excitability: A new approach in clinical testing. Muscle Nerve. 2000;23:399–409. doi: 10.1002/(SICI)1097-4598(200003)23:3<399::AID-MUS12>3.0.CO;2-G. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Cappelen-Smith C., Kuwabara S., Lin C.S., Mogyoros I., Burke D. Membrane properties in chronic inflammatory demyelinating polyneuropathy. Brain. 2001;124:2439–2447. doi: 10.1093/brain/124.12.2439. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Kuwabara S., Ogawara K., Sung J.Y., Mori M., Kanai K., Hattori T., Yuki N., MLin C.S., Burke D., Bostock H. Differences in membrane properties of axonal and demyelinating Guillain-Barré syndromes. Ann. Neurol. 2002;52:180–187. doi: 10.1002/ana.10275. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Nodera H., Bostock H., Kuwabara S., Sakamoto T., Asanuma K., Jia-Ying S., Ogawara K., Hattori N., Hirayama M., Sobue G., et al. Nerve excitability properties in Charcot-Marie-Tooth disease type 1A. Brain. 2004;127:203–211. doi: 10.1093/brain/awh020. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Sung M.H., Simon R. In silico simulation of inhibitor drug effects on nuclear factor-κB pathway dynamics. Mol. Pharmacol. 2004;66:70–75. doi: 10.1124/mol.66.1.70. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> The challenge lies in interpreting those observations. To this end, the group of Stephanova has simulated progressively greater degrees of systematic and focal demyelination of motor fibers to try to explain the observed physiological changes<ref>Stephanova D.I., Daskalova M. Differences in potentials and excitability properties in simulated cases of demyelinating neuropathies. Part III. Paranodal internodal demyelination. Clin. Neurophysiol. 2005;116:2334–2341. doi: 10.1016/j.clinph.2005.07.013. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Stephanova D.I., Daskalova M.S. Differences between the channels, currents and mechanisms of conduction slowing/block and accommodative processes in simulated cases of focal demyelinating neuropathies. Eur. Biophys. J. 2008;37:829–842. doi: 10.1007/s00249-008-0284-1. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Stephanova D.I., Alexandrov A.S. Simulating mild systematic and focal demyelinating neuropathies: Membrane property abnormalities. J. Integr. Neurosci. 2006;5:595–623. doi: 10.1142/S0219635206001331. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Stephanova D.I., Daskalova M., Alexandrov A.S. Channels, currents and mechanisms of accommodative processes in simulated cases of systematic demyelinating neuropathies. Brain Res. 2007;1171:138–151. doi: 10.1016/j.brainres.2007.07.029. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref name=":6">Stephanova D.I., Krustev S.M., Negrev N., Daskalova M. The myelin sheath aqueous layers improve the membrane properties of simulated chronic demyelinating neuropathies. J. Integr. Neurosci. 2011;10:105–120. doi: 10.1142/S0219635211002646. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Stephanova D.I., Alexandrov A.S., Kossev A., Christova L. Simulating focal demyelinating neuropathies: Membrane property abnormalities. Biol. Cybern. 2007;96:195–208. doi: 10.1007/s00422-006-0113-5. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> (see Modeling section below).
+In humandiagnostischen Studien zu visuell, sensorisch oder motorisch evozierten Potentialen (VEP, SEP, MEP) kann nur die Latenz oder Leitungsgeschwindigkeit genau gemessen werden (mit etwa 30–40 % Schwankungen zwischen verschiedenen Labors). Aber diese Messungen geben wenig Aufschluss über zugrunde liegende Mechanismen, die eine Verlangsamung oder Blockierung der Leitung beinhalten, oder morphologische oder funktionelle Faktoren wie Verzweigung, Demyelinisierung, Remyelinisierung, axonale Verjüngung (Abnahme der Querschnittsfläche), Dämpfung oder erneutes Wachstum, temperaturbedingte Änderungen der Leitung , oder Malpolarisation (Hyper oder Hypo). Nichtsdestotrotz kann die Art der demyelinisierenden Läsion Hinweise auf die Ätiologie geben und daher die Behandlung leiten; Beispielsweise scheinen genetische Faktoren stärker mit internodalen Krankheitsprozessen zu korrelieren, und immunologische Dysfunktionen verursachen paranodale Anomalien.<ref name=":3">Stephanova D.I., Dimitrov B.  Computational Neuroscience: Simulated Demyelinating Neuropathies and Neuronopathies. CRC Press; Boca Raton, FL, USA: 2013.  [Google Scholar]</ref>
-=== Involvement of Cell Bodies ===
+Eine Reihe von Tests werden routinemäßig verwendet, um die neurale Funktion zu beurteilen. Bei der Elektroneurographie wird ein kurzer elektrischer Stimulus an einer anatomisch vordefinierten Position an einen peripheren Nerv angelegt, um die Latenz und Amplitude des zusammengesetzten Aktionspotentials an einer anderen Stelle entlang des Nervs zu messen. Die Ergebnisse müssen in Kombination mit klinischen Befunden und Tests (z. B. Elektromyographie) interpretiert werden, aber es ist wichtig, dass verschiedene Krankheiten unterschiedliche Muster elektroneurographischer Veränderungen aufweisen. Dies ist nicht nur für diagnostische Zwecke wichtig, sondern kann auch auf spezifische pathologische Veränderungen der Axonfunktion hinweisen, die wiederum bei der Wahl der Therapie hilfreich sein könnten (wenn die Axonpathobiologie verstanden würde; siehe unten). Unter Verwendung von Threshold-Tracking wurde die Erregbarkeit beim Menschen für verschiedene periphere demyelinisierende Erkrankungen gemessen, darunter die Charcot-Marie-Tooth-Krankheit Typ 1A (CMT1A), die chronisch entzündliche demyelinisierende Polyneuropathie (CIDP), das Guillain-Barré-Syndrom (GBS) und die multifokale motorische Neuropathie (MMN). ).<ref name=":4">Bostock H., Baker M., Reid G. Changes in excitability of human motor axons underlying post-ischaemic fasciculations: Evidence for two stable states. J. Physiol. 1991;441:537–557. doi: 10.1113/jphysiol.1991.sp018766.[PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Mogyoros I., Kiernan M.C., Burke D., Bostock H. Strength-duration properties of sensory and motor axons in amyotrophic lateral sclerosis. Brain. 1998;121:851–859. doi: 10.1093/brain/121.5.851. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref name=":5">Kiernan M.C., Burke D., Andersen K.V., Bostock H. Multiple measures of axonal excitability: A new approach in clinical testing. Muscle Nerve. 2000;23:399–409. doi: 10.1002/(SICI)1097-4598(200003)23:3<399::AID-MUS12>3.0.CO;2-G. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Cappelen-Smith C., Kuwabara S., Lin C.S., Mogyoros I., Burke D. Membrane properties in chronic inflammatory demyelinating polyneuropathy. Brain. 2001;124:2439–2447. doi: 10.1093/brain/124.12.2439. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Kuwabara S., Ogawara K., Sung J.Y., Mori M., Kanai K., Hattori T., Yuki N., MLin C.S., Burke D., Bostock H. Differences in membrane properties of axonal and demyelinating Guillain-Barré syndromes. Ann. Neurol. 2002;52:180–187. doi: 10.1002/ana.10275. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Nodera H., Bostock H., Kuwabara S., Sakamoto T., Asanuma K., Jia-Ying S., Ogawara K., Hattori N., Hirayama M., Sobue G., et al. Nerve excitability properties in Charcot-Marie-Tooth disease type 1A. Brain. 2004;127:203–211. doi: 10.1093/brain/awh020. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Sung M.H., Simon R. In silico simulation of inhibitor drug effects on nuclear factor-κB pathway dynamics. Mol. Pharmacol. 2004;66:70–75. doi: 10.1124/mol.66.1.70. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref>Die Herausforderung liegt in der Interpretation dieser Beobachtungen. Zu diesem Zweck hat die Gruppe von Stephanova zunehmend größere Grade systematischer und fokaler Demyelinisierung von Motorfasern simuliert, um zu versuchen, die beobachteten physiologischen Veränderungen zu erklären<ref>Stephanova D.I., Daskalova M. Differences in potentials and excitability properties in simulated cases of demyelinating neuropathies. Part III. Paranodal internodal demyelination. Clin. Neurophysiol. 2005;116:2334–2341. doi: 10.1016/j.clinph.2005.07.013. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Stephanova D.I., Daskalova M.S. Differences between the channels, currents and mechanisms of conduction slowing/block and accommodative processes in simulated cases of focal demyelinating neuropathies. Eur. Biophys. J. 2008;37:829–842. doi: 10.1007/s00249-008-0284-1. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Stephanova D.I., Alexandrov A.S. Simulating mild systematic and focal demyelinating neuropathies: Membrane property abnormalities. J. Integr. Neurosci. 2006;5:595–623. doi: 10.1142/S0219635206001331. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Stephanova D.I., Daskalova M., Alexandrov A.S. Channels, currents and mechanisms of accommodative processes in simulated cases of systematic demyelinating neuropathies. Brain Res. 2007;1171:138–151. doi: 10.1016/j.brainres.2007.07.029. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref name=":6">Stephanova D.I., Krustev S.M., Negrev N., Daskalova M. The myelin sheath aqueous layers improve the membrane properties of simulated chronic demyelinating neuropathies. J. Integr. Neurosci. 2011;10:105–120. doi: 10.1142/S0219635211002646. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Stephanova D.I., Alexandrov A.S., Kossev A., Christova L. Simulating focal demyelinating neuropathies: Membrane property abnormalities. Biol. Cybern. 2007;96:195–208. doi: 10.1007/s00422-006-0113-5. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> (siehe Abschnitt „Modellierung“ weiter unten).
-Progression from relapsing-remitting MS (RRMS) to the secondary progressive MS (SPMS) is associated with greater involvement of grey matter pathology, although axonal/grey matter involvement can be observed already in early disease stages.<ref>Bø L., Geurts J.J., Mörk S.J., van der Valk P. Grey matter pathology in multiple sclerosis. Acta Neurol. Scand. Suppl. 2006;183:48–50. doi: 10.1111/j.1600-0404.2006.00615.x. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Geurts J.J., Barkhof F. Grey matter pathology in multiple sclerosis. Lancet Neurol. 2008;7:841–851. doi: 10.1016/S1474-4422(08)70191-1. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Zivadinov R., Pirko I. Advances in understanding gray matter pathology in multiple sclerosis: Are we ready to redefine disease pathogenesis? BMC Neurol. 2012;12 doi: 10.1186/1471-2377-12-9. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Popescu B.F., Lucchinetti C.F. Pathology of demyelinating diseases. Annu. Rev. Pathol. 2012;7:185–217. doi: 10.1146/annurev-pathol-011811-132443.[PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Damage to the grey matter is regarded as the underlying mechanism of disease progression and permanent disability in MS patients, and is measured by loss of brain parenchymal fraction or brain volume by MRI or clinically by progression on the expanded disability status scale (EDSS).<ref>Kurtzke J.F., Beebe G.W., Nagler B., Nefzger M.D., Auth T.L., Kurland L.T. Studies on the natural history of multiple sclerosis: V. Long-term survival in young men. Arch. Neurol. 1970;22:215–225. doi: 10.1001/archneur.1970.00480210025003. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Transition from RRMS to SPMS is foreboding for the lack of therapeutics to combat the exacerbated physical and cognitive deterioration that most SPMS patients face.<ref name=":0" /><ref>Rao S.M., Leo G.J., Bernardin L., Unverzagt F. Cognitive dysfunction in multiple sclerosis. I. Frequency, patterns, and prediction. Neurology. 1991;41:685–691. doi: 10.1212/WNL.41.5.685. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref>
-==== Treatment ====
+=== Beteiligung von Zellkörpern ===
-The main interventions for MS involve modulation of the immune response with, for example, methly-prednisolone, interferon betas, glatiramer acetate or fingolimod, or by preventing inflammatory cells from crossing the BBB (monoclonal antibodies e.g., Tysabri (anti α4-integrin, Natalizumab)). Very recently the first two oral agents (fumarate and teriflunomide) as well as the anti-CD52 directed antibody Natalizumab where approved for treatment of RRMS, which can be successfully treated by first-line therapies like interferons, glatiramer acetate, or fingolimod, or by second-line therapies, but progressive forms (PPMS, SPMS) still represent an unmet biomedical need.<ref>Meuth S.G., Bittner S., Ulzheimer J.C., Kleinschnitz C., Kieseier B.C., Wiendl H. Therapeutic approaches to multiple sclerosis: An update on failed, interrupted, or inconclusive trials of neuroprotective and alternative treatment strategies. BioDrugs. 2010;24:317–330. doi: 10.2165/11537190-000000000-00000. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Anti-neoplastics are used in extremely advanced or difficult cases.<ref>Goldenberg M.M. Multiple sclerosis review. Pharm. Ther. 2012;37:137–139.[PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]</ref>
+Die Progression von schubförmig remittierender MS (RRMS) zur sekundär progredienten MS (SPMS) ist mit einer stärkeren Beteiligung der Pathologie der grauen Substanz verbunden, obwohl eine Beteiligung der Axone/der grauen Substanz bereits in frühen Krankheitsstadien beobachtet werden kann.<ref>Bø L., Geurts J.J., Mörk S.J., van der Valk P. Grey matter pathology in multiple sclerosis. Acta Neurol. Scand. Suppl. 2006;183:48–50. doi: 10.1111/j.1600-0404.2006.00615.x. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Geurts J.J., Barkhof F. Grey matter pathology in multiple sclerosis. Lancet Neurol. 2008;7:841–851. doi: 10.1016/S1474-4422(08)70191-1. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Zivadinov R., Pirko I. Advances in understanding gray matter pathology in multiple sclerosis: Are we ready to redefine disease pathogenesis? BMC Neurol. 2012;12 doi: 10.1186/1471-2377-12-9. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Popescu B.F., Lucchinetti C.F. Pathology of demyelinating diseases. Annu. Rev. Pathol. 2012;7:185–217. doi: 10.1146/annurev-pathol-011811-132443.[PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Die Schädigung der grauen Substanz gilt als zugrunde liegender Mechanismus des Krankheitsverlaufs und der dauerhaften Behinderung bei MS-Patienten und wird durch den Verlust der Hirnparenchymfraktion oder des Gehirnvolumens durch MRT oder klinisch durch Progression auf der erweiterten Behinderungsstatusskala (EDSS) gemessen.<ref>Kurtzke J.F., Beebe G.W., Nagler B., Nefzger M.D., Auth T.L., Kurland L.T. Studies on the natural history of multiple sclerosis: V. Long-term survival in young men. Arch. Neurol. 1970;22:215–225. doi: 10.1001/archneur.1970.00480210025003. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref>Der Übergang von RRMS zu SPMS ist ein Vorzeichen für den Mangel an Therapeutika zur Bekämpfung der verschlimmerten körperlichen und kognitiven Verschlechterung, mit der die meisten SPMS-Patienten konfrontiert sind.<ref name=":0" /><ref>Rao S.M., Leo G.J., Bernardin L., Unverzagt F. Cognitive dysfunction in multiple sclerosis. I. Frequency, patterns, and prediction. Neurology. 1991;41:685–691. doi: 10.1212/WNL.41.5.685. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref>
-Disease-modifying drugs are critical for stopping or at least attenuating the demyelination process, but so too is it critical to manage the symptoms arising from whatever demyelination has already occurred. Ion channel modulation is increasingly promising with the advent of new ion channel blockers such as Ampyra (K-channel blockade).<ref>Göbel K., Wedell J.H., Herrmann A.M., Wachsmuth L., Pankratz S., Bittner S., Budde T., Kleinschnitz C., Faber C., Wiendl H., et al. 4-Aminopyridine ameliorates mobility but not disease course in an animal model of multiple sclerosis. Exp. Neurol. 2013;248:62–71. doi: 10.1016/j.expneurol.2013.05.016.[PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Krishnan A.V., Kiernan M.C. Sustained-release fampridine and the role of ion channel dysfunction in multiple sclerosis. Mult. Scler. 2013;19:385–391. doi: 10.1177/1352458512463769. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Potassium channel blockade is intended to enhance axon excitability. The problem is that such interventions, while effective in treating negative symptoms and restoring function, tend to exacerbate positive symptoms.<ref>Bowe C.M., Kocsis J.D., Targ E.F., Waxman S.G. Physiological effects of 4-aminopyridine on demyelinated mammalian motor and sensory fibers. Ann. Neurol. 1987;22:264–268. doi: 10.1002/ana.410220212. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Conversely, treating positive symptoms such as spasms with anti-epileptics like carbamazepine, for example, can exacerbate negative symptoms.<ref>Sakurai M., Kanazawa I. Positive symptoms in multiple sclerosis: Their treatment with sodium channel blockers, lidocaine and mexiletine. J. Neurol. Sci. 1999;162:162–168. doi: 10.1016/S0022-510X(98)00322-0. [PubMed] </ref> In fact, blocking Na+ channels not only reduces positive symptoms, it may also be neuroprotective (because Na+ accumulation causes Na+/Ca2+ exchange mechanisms to load neurons with Ca2+, which is excitotoxic)<ref>Mattson M.P., Guthrie P.B., Kater S.B. A role for Na+-dependent Ca2+extrusion in protection against neuronal excitotoxicity. FASEB J. 1989;3:2519–2526. [PubMed] [Google Scholar]</ref> (Figure 3) but these benefits come at the expense of negative symptoms. Therefore, and especially in a patient exhibiting a mixture of positive and negative symptoms, treatment options are restricted.
+==== Behandlung ====
+Die wichtigsten Eingriffe bei MS umfassen die Modulation der Immunantwort mit beispielsweise Methly-Prednisolon, Interferon betas, Glatirameracetat oder Fingolimod oder die Verhinderung der Überquerung der BHS durch Entzündungszellen (monoklonale Antikörper, z. B. Tysabri (Anti-α4-Integrin, Natalizumab )). Vor kurzem wurden die ersten beiden oralen Wirkstoffe (Fumarat und Teriflunomid) sowie der gegen CD52 gerichtete Antikörper Natalizumab für die Behandlung von RRMS zugelassen, die erfolgreich mit Erstlinientherapien wie Interferonen, Glatirameracetat oder Fingolimod oder durch behandelt werden kann Zweitlinientherapien, aber progressive Formen (PPMS, SPMS) stellen immer noch einen ungedeckten biomedizinischen Bedarf dar.<ref>Meuth S.G., Bittner S., Ulzheimer J.C., Kleinschnitz C., Kieseier B.C., Wiendl H. Therapeutic approaches to multiple sclerosis: An update on failed, interrupted, or inconclusive trials of neuroprotective and alternative treatment strategies. BioDrugs. 2010;24:317–330. doi: 10.2165/11537190-000000000-00000. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Antineoplastika werden in extrem fortgeschrittenen oder schwierigen Fällen eingesetzt.<ref>Goldenberg M.M. Multiple sclerosis review. Pharm. Ther. 2012;37:137–139.[PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]</ref>
-[[File:Jay S. Coggan 3.jpeg|center|thumb|600x600px|Mechanisms of demyelination-related Neurodegeneration. Demyelination can result prorgressively in ionic disequilibria, energy crisis, conduction block and eventually neurodegeneration. ('''A''') a normal node of Ranvier with juxtaparanodal, paranodal and nodal regions intact, depicting <math>Na^+,K^+,Ca^+</math>ions flowing through their respective channels with mitochondria supplying the ATP for energy-dependent <math>Na^+,K^+ ATP</math>ases that re-establish the ion gradients depleted by ion flux through channels. Numerous different ion channels are present in the axon but only a small subset is depicted here; ('''B''') partial demyelination results in dispersal of nodal ion channels, energy insufficiency and disequilibria of ion gradients; ('''C''') complete demyelination can result in conduction block and axonal degeneration due to the accumulation of intracelluar <math>Ca^+</math> that results from energy crisis and disruption of ionic balances. Abbreviations: <math>K_v1</math>: potassium channel type 1; <math>Na_{v}1.6</math> and <math>Na_{v}1.2</math>: sodium channel types 1.6 and 1.2; <math>Na^+,Ca^+</math> Exchanger: <math>Na^+,Ca^+</math> exchange pump; <math>Na^+,K^+ ATP</math>ase: ATP (energy)-dependent <math>Na^+,K^+</math> exchange pump; CASPR1: contactin-associated protein 1 (interaction molecule between myelinating cell with axon); <math>NF55</math>: neurofascin 155 (predominant interaction molecule between myelin and axon at paranodal axo-glial junction).]]
+Krankheitsmodifizierende Medikamente sind entscheidend, um den Demyelinisierungsprozess zu stoppen oder zumindest abzuschwächen, aber ebenso wichtig ist es, die Symptome zu behandeln, die sich aus einer bereits aufgetretenen Demyelinisierung ergeben. Die Ionenkanalmodulation wird mit dem Aufkommen neuer Ionenkanalblocker wie Ampyra (K-Kanal-Blockade) zunehmend vielversprechend.<ref>Göbel K., Wedell J.H., Herrmann A.M., Wachsmuth L., Pankratz S., Bittner S., Budde T., Kleinschnitz C., Faber C., Wiendl H., et al. 4-Aminopyridine ameliorates mobility but not disease course in an animal model of multiple sclerosis. Exp. Neurol. 2013;248:62–71. doi: 10.1016/j.expneurol.2013.05.016.[PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Krishnan A.V., Kiernan M.C. Sustained-release fampridine and the role of ion channel dysfunction in multiple sclerosis. Mult. Scler. 2013;19:385–391. doi: 10.1177/1352458512463769. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Die Kaliumkanalblockade soll die Erregbarkeit von Axonen verbessern. Das Problem ist, dass solche Eingriffe, obwohl sie bei der Behandlung negativer Symptome und der Wiederherstellung der Funktion wirksam sind, dazu neigen, positive Symptome zu verschlimmern.<ref>Bowe C.M., Kocsis J.D., Targ E.F., Waxman S.G. Physiological effects of 4-aminopyridine on demyelinated mammalian motor and sensory fibers. Ann. Neurol. 1987;22:264–268. doi: 10.1002/ana.410220212. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Umgekehrt kann die Behandlung positiver Symptome wie Spasmen mit Antiepileptika wie beispielsweise Carbamazepin negative Symptome verstärken.<ref>Sakurai M., Kanazawa I. Positive symptoms in multiple sclerosis: Their treatment with sodium channel blockers, lidocaine and mexiletine. J. Neurol. Sci. 1999;162:162–168. doi: 10.1016/S0022-510X(98)00322-0. [PubMed] </ref> Tatsächlich reduziert das Blockieren von Na+-Kanälen nicht nur positive Symptome, es kann auch neuroprotektiv sein (weil die Ansammlung von Na+ dazu führt, dass Na+/Ca2+-Austauschmechanismen Neuronen mit Ca2+ beladen, das exzitotoxisch ist).<ref>Mattson M.P., Guthrie P.B., Kater S.B. A role for Na+-dependent Ca2+extrusion in protection against neuronal excitotoxicity. FASEB J. 1989;3:2519–2526. [PubMed] [Google Scholar]</ref> (Abbildung 3), aber diese Vorteile gehen zu Lasten negativer Symptome. Daher und insbesondere bei einem Patienten, der eine Mischung aus positiven und negativen Symptomen aufweist, sind die Behandlungsmöglichkeiten eingeschränkt.
+[[File:Jay S. Coggan 3.jpeg|center|thumb|600x600px|Mechanismen der demyelinisierungsbedingten Neurodegeneration. Demyelinisierung kann fortschreitend zu ionischen Ungleichgewichten, Energiekrise, Leitungsblock und schließlich Neurodegeneration führen. ('''A''') ein normaler Knoten von Ranvier mit intakten juxtaparanodalen, paranodalen und nodalen Regionen, die darstellen <math>Na^+,K^+,Ca^+</math>Ionen fließen durch ihre jeweiligen Kanäle mit Mitochondrien, die das ATP für energieabhängige liefern <math>Na^+,K^+ ATP</math>asen, die die Ionengradienten wiederherstellen, die durch den Ionenfluss durch die Kanäle erschöpft sind. Im Axon sind zahlreiche verschiedene Ionenkanäle vorhanden, aber hier ist nur eine kleine Teilmenge dargestellt; ('''B''') partielle Demyelinisierung führt zur Auflösung von Knotenionenkanälen, Energiemangel und Ungleichgewichten von Ionengradienten; ('''C''') Eine vollständige Demyelinisierung kann zu einem Leitungsblock und einer axonalen Degeneration aufgrund der Akkumulation von intrazellulärem führen <math>Ca^+</math> die aus Energiekrisen und Störungen des Ionengleichgewichts resultieren. Abkürzungen: <math>K_v1</math>: Kaliumkanal Typ 1; <math>Na_{v}1.6</math> und <math>Na_{v}1.2</math>:  Natriumkanaltypen 1.6 und 1.2;; <math>Na^+,Ca^+</math>Tauscher:<math>Na^+,Ca^+</math> Austauschpumpe; <math>Na^+,K^+ ATP</math>ase: ATP (Energie)-abhängig <math>Na^+,K^+</math>Austauschpumpe; CASPR1: Contactin-assoziiertes Protein 1 (Wechselwirkungsmolekül zwischen myelinisierender Zelle und Axon);<math>NF55</math>: Neurofascin 155 (vorherrschendes Wechselwirkungsmolekül zwischen Myelin und Axon an der paranodalen Axo-Glia-Verbindung).]]
-The above discussion raises the important point that although much ado has been made about immune mechanisms, their connection with clinical changes is largely correlational. One must consider the intermediary effects on axonal function, namely the primary and secondary (compensatory) changes in axon excitability, in order to appreciate how neurological function is altered. Those changes are not simple and direct consequences of demyelination but, instead, suggest that axonal physiology itself changes in response to demyelination. Some of those changes are adaptive whereas others are maladaptive, or perhaps adaptive changes can become maladaptive as the situation (myelination status) evolves. If changes in axonal physiology dictate the manifestation of various symptoms, then symptom management will largely fall on treatments that aim to manipulate axon physiology. Strategically developing such treatments require a deep, mechanistic understanding of axonal excitability and its regulation.
-=== Axon Pathobiology ===
+Die obige Diskussion wirft den wichtigen Punkt auf, dass, obwohl viel Lärm um Immunmechanismen gemacht wurde, ihre Verbindung mit klinischen Veränderungen weitgehend korreliert ist. Man muss die intermediären Wirkungen auf die axonale Funktion berücksichtigen, nämlich die primären und sekundären (kompensatorischen) Änderungen der Axon-Erregbarkeit, um zu verstehen, wie die neurologische Funktion verändert wird. Diese Veränderungen sind keine einfachen und direkten Folgen der Demyelinisierung, sondern legen stattdessen nahe, dass sich die axonale Physiologie selbst als Reaktion auf die Demyelinisierung verändert. Einige dieser Veränderungen sind adaptiv, während andere maladaptiv sind, oder vielleicht können adaptive Veränderungen maladaptiv werden, wenn sich die Situation (Myelinisierungsstatus) weiterentwickelt. Wenn Veränderungen in der Axonphysiologie die Manifestation verschiedener Symptome diktieren, dann wird die Symptombehandlung weitgehend auf Behandlungen fallen, die darauf abzielen, die Axonphysiologie zu manipulieren. Die strategische Entwicklung solcher Behandlungen erfordert ein tiefes, mechanistisches Verständnis der axonalen Erregbarkeit und ihrer Regulation.
-==== Structural and Molecular Changes ====
+=== Axonpathobiologie ===
-Axons are profoundly affected by demyelination. Axon morphology becomes irregular or swollen, often with a beaded appearance. Focal accumulation of proteins (by fast axonal transport) is also observed. In chronic active plaques, axonal loss of 20%–80% is apparent within peri-plaque white matter and normal distant white matter.<ref>Moll N.M., Rietsch A.M., Thomas S., Ransohoff A.J., Lee J.C., Fox R., Chang A., Ransohoff R.M., Fisher E. Multiple sclerosis normal-appearing white matter: Pathology-imagig correlations. Ann. Neurol. 2011;70:764–773. doi: 10.1002/ana.22521. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> In early active and chronic active plaques, damage is thought to be caused by inflammatory and immune factors released during acute inflammatory demyelination. Proposed mediators include proteases, cytokines, excitotoxins and free radicals. Neuronal antigens are targets of immune reaction leading to CNS inflammation. Other factors causing axonal dysfunction or death include a lack of trophic support from myelin and oligodendrocytes, damage from soluble or cellular immune factors still present in the inactive plaque, and chronic mitochondrial failure in the setting of increased energy demands.<ref name=":7">Lucchinetti C., Brück W., Parisi J., Scheithauer B., Rodriguez M., Lassmann H. Heterogeneity of multiple sclerosis lesions: Implications for the pathogenesis of demyelination. Ann. Neurol. 2000;47:707–717. doi: 10.1002/1531-8249(200006)47:6<707::AID-ANA3>3.0.CO;2-Q. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> A critical role for oligodendrocytes and Schwann cells in axon survival has also been attributed to peroxisomes, lipid metabolism and reactive oxygen species (ROS) detoxification.<ref>Kassmann C.M., Nave K.A. Oligodendroglial impact on axonal function and survival— A hypothesis. Curr. Opin. Neurol. 2008;21:235–241. doi: 10.1097/WCO.0b013e328300c71f. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref>
-Remyelination is often observed as shadow plaques formed by the recruitment of undifferentiated oligodendrocyte precursors that migrate to and surround the lesions enabling thin layers of remyelination.<ref>Scolding N., Franklin R. Axon loss in multiple sclerosis. Lancet. 1998;352:340–341. doi: 10.1016/S0140-6736(05)60463-1. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> This process occurs mostly in acute active plaques, but also in chronic phases. This observation triggered the development of a new monoclonal anitbody directed against LINGO-1 (Anti-LINGO-1). Binding of LINGO-1 to Nogo receptors prevents remyelinating processes in the CNS; inhibition of this interaction thus enables significant remyelination in animals with experimental autoimmune encephalomyelitis.<ref>Mi S., Miller R.H., Lee X., Scott M.L., Shulag-Morskaya S., Shao Z., Chang J., Thill G., Levesque M., Zhang M., et al. LINGO-1 negatively regulates myelination by oligodendrocytes. Nat. Neurosci. 2005;8:745–751. doi: 10.1038/nn1460. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref>
+==== Strukturelle und molekulare Veränderungen ====
+Axone sind stark von Demyelinisierung betroffen. Die Axonmorphologie wird unregelmäßig oder geschwollen, oft mit einem perligen Aussehen. Eine fokale Akkumulation von Proteinen (durch schnellen axonalen Transport) wird ebenfalls beobachtet. Bei chronisch aktiven Plaques ist ein axonaler Verlust von 20–80 % in der weißen Substanz der Periplaque und in der normalen entfernten weißen Substanz erkennbar.<ref>Moll N.M., Rietsch A.M., Thomas S., Ransohoff A.J., Lee J.C., Fox R., Chang A., Ransohoff R.M., Fisher E. Multiple sclerosis normal-appearing white matter: Pathology-imagig correlations. Ann. Neurol. 2011;70:764–773. doi: 10.1002/ana.22521. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Bei früh aktiven und chronisch aktiven Plaques wird angenommen, dass die Schädigung durch Entzündungs- und Immunfaktoren verursacht wird, die während der akuten entzündlichen Demyelinisierung freigesetzt werden. Vorgeschlagene Mediatoren umfassen Proteasen, Cytokine, Excitotoxine und freie Radikale. Neuronale Antigene sind Ziele einer Immunreaktion, die zu einer ZNS-Entzündung führt. Andere Faktoren, die eine axonale Dysfunktion oder den Tod verursachen, umfassen einen Mangel an trophischer Unterstützung durch Myelin und Oligodendrozyten, Schäden durch lösliche oder zelluläre Immunfaktoren, die noch in der inaktiven Plaque vorhanden sind, und chronisches Mitochondrienversagen bei erhöhtem Energiebedarf.<ref name=":7">Lucchinetti C., Brück W., Parisi J., Scheithauer B., Rodriguez M., Lassmann H. Heterogeneity of multiple sclerosis lesions: Implications for the pathogenesis of demyelination. Ann. Neurol. 2000;47:707–717. doi: 10.1002/1531-8249(200006)47:6<707::AID-ANA3>3.0.CO;2-Q. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Eine entscheidende Rolle für Oligodendrozyten und Schwann-Zellen beim Überleben von Axonen wurde auch den Peroxisomen, dem Lipidstoffwechsel und der Entgiftung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) zugeschrieben.<ref>Kassmann C.M., Nave K.A. Oligodendroglial impact on axonal function and survival— A hypothesis. Curr. Opin. Neurol. 2008;21:235–241. doi: 10.1097/WCO.0b013e328300c71f. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref>
-During the disease process, autoreactive lymphocytes and macrophages can cross the blood brain barrier and accumulate in the brain and spinal cord.<ref>Bittner S., Ruck T., Schuhmann M.K., Herrmann A.M., Maati H.M., Bobak N., Göbel K., Langhauser F., Stegner D., Ehling P., et al. 2013 Endothelial TWIK-related potassium channel-1 (TREK1) regulates immune-cell trafficking into the CNS. Nat. Med. 2013;19:1161–1165. doi: 10.1038/nm.3303. [PubMed] </ref> Regulatory lymphocytes (Tregs) fail to suppress effector cells-mostly cytotoxic CD8+ cells.<ref>Viglietta V., Baecher-Allan C., Weiner H.L., Hafler D.A. Loss of functional suppression by CD4+CD25+ regulatory T cells in patients with multiple sclerosis. J. Exp. Med. 2004;199:971–999. doi: 10.1084/jem.20031579.[PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Release of pro-inflammatory cytokines recruits naive microglia, which make contact with an oligodendrocyte-myelin unit by interactions with Fc and complement receptors. A cytotoxic death-triggering signal is then transmitted through surface bound tumor necrosis factor α (TNFα).<ref>Zajicek J.P., Wing M., Scolding N.J., Compston D.A. Interactions between oligodendrocytes and microglia. A major role for complement and tumour necrosis factor in oligodendrocyte adherence and killing. Brain. 1992;115:1611–1631. [PubMed] [Google Scholar]</ref> This occurs in concert with extensive axonal damage.<ref name=":1" />
+Remyelinisierung wird häufig als Schattenplaques beobachtet, die durch die Rekrutierung von undifferenzierten Oligodendrozyten-Vorläufern gebildet werden, die zu den Läsionen wandern und diese umgeben, wodurch dünne Schichten der Remyelinisierung ermöglicht werden.<ref>Scolding N., Franklin R. Axon loss in multiple sclerosis. Lancet. 1998;352:340–341. doi: 10.1016/S0140-6736(05)60463-1. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Dieser Prozess tritt meist in akuten aktiven Plaques auf, aber auch in chronischen Phasen. Diese Beobachtung löste die Entwicklung eines neuen monoklonalen Antikörpers aus, der gegen LINGO-1 gerichtet ist (Anti-LINGO-1). Die Bindung von LINGO-1 an Nogo-Rezeptoren verhindert remyelinisierende Prozesse im ZNS; die Hemmung dieser Wechselwirkung ermöglicht somit eine signifikante Remyelinisierung bei Tieren mit experimenteller autoimmuner Enzephalomyelitis.<ref>Mi S., Miller R.H., Lee X., Scott M.L., Shulag-Morskaya S., Shao Z., Chang J., Thill G., Levesque M., Zhang M., et al. LINGO-1 negatively regulates myelination by oligodendrocytes. Nat. Neurosci. 2005;8:745–751. doi: 10.1038/nn1460. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref>
-Lucchinetti el al.<ref name=":7" /> proposed four distinct immunopatterns of plaque formation found in patients at different stages of the disease. Type I and II plaques are dominated by T-lymphocyte and macrophage inflammation and are thought to mimic T-cell or T-cell plus antibody autoimmune encephalomyelitis models, respectively. Myelin loss in type I plaques may be caused by toxic factors released by activated macrophages, whereas IgG and complement deposition suggest a role of antibodies in type II plaques. In contrast, patterns III and IV show large oligodendrocyte dystrophy. Pattern III is thought to be related to hypoxia-induced lesions which are driven by defects in mitochondrial function,<ref name=":8">Nikić I., Merkler D., Sorbara C., Brinkoetter M., Kreutzfeldt M., Bareyre F.M., Brück W., Bishop D., Misgeld T., Kerschensteiner M. A reversible form of axon damage in experimental autoimmune encephalomyelitis and multiple sclerosis. Nat. Med. 2011;17:495–499. doi: 10.1038/nm.2324. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> whereas pattern IV lesions are associated with profound non-apoptotic death of oligodendrocytes in periplaque white matter.
+Während des Krankheitsprozesses können autoreaktive Lymphozyten und Makrophagen die Blut-Hirn-Schranke überwinden und sich im Gehirn und Rückenmark ansammeln.<ref>Bittner S., Ruck T., Schuhmann M.K., Herrmann A.M., Maati H.M., Bobak N., Göbel K., Langhauser F., Stegner D., Ehling P., et al. 2013 Endothelial TWIK-related potassium channel-1 (TREK1) regulates immune-cell trafficking into the CNS. Nat. Med. 2013;19:1161–1165. doi: 10.1038/nm.3303. [PubMed] </ref> Regulatorische Lymphozyten (Tregs) unterdrücken Effektorzellen nicht – meist zytotoxische CD8+-Zellen.<ref>Viglietta V., Baecher-Allan C., Weiner H.L., Hafler D.A. Loss of functional suppression by CD4+CD25+ regulatory T cells in patients with multiple sclerosis. J. Exp. Med. 2004;199:971–999. doi: 10.1084/jem.20031579.[PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Die Freisetzung von entzündungsfördernden Zytokinen rekrutiert naive Mikroglia, die durch Wechselwirkungen mit Fc- und Komplementrezeptoren Kontakt mit einer Oligodendrozyten-Myelin-Einheit aufnehmen. Ein zytotoxisches, den Tod auslösendes Signal wird dann durch den oberflächengebundenen Tumornekrosefaktor α (TNFα) übertragen..<ref>Zajicek J.P., Wing M., Scolding N.J., Compston D.A. Interactions between oligodendrocytes and microglia. A major role for complement and tumour necrosis factor in oligodendrocyte adherence and killing. Brain. 1992;115:1611–1631. [PubMed] [Google Scholar]</ref> Dies tritt zusammen mit ausgedehnten axonalen Schäden auf.<ref name=":1" />
-Barnett and Prineas<ref>Barnett M.H., Prineas J.W. Relapsing and remitting multiple sclerosis: Pathology of the newly forming lesion. Ann. Neurol. 2004;55:458–468. doi: 10.1002/ana.20016. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> analyzed lesions from patients directly after the onset of a relapse, during which active plaque formation was ongoing. Their results suggest that oligodendrocyte apoptosis and glial activation occur during early active plaque formation in the absence of inflammatory lymphocytes or myelin phagocytes. They proposed that the vulnerability of oligodendrocytes, described in Lucchinetti’s type III pattern, is present in the early stages of all plaque formation and is the trigger for subsequent post apoptotic necrosis which initiates the phagocytosis of myelin by macrophages at later stages. In vitro analyses of this process have implicated complement cascades, tumor necrosis factors or gaseous second messengers.<ref>Van der Laan L.J., Ruuls S.R., Weber K.S., Lodder I.J., Döpp E.A., Dijkstra C.D. Macrophage phagocytosis of myelin ''in vitro'' determined by flow cytometry: Phagocytosis is mediated by CR3 and induces production of tumor necrosis factor-α and nitric oxide. J. Neuroimmunol. 1996;70:145–152. doi: 10.1016/S0165-5728(96)00110-5. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Although identification of plaques and monitoring of their progress has important clinical value, there is only a modest correlation between the demyelinating lesion load as determined by conventional MRI and the clinical disability of patients with MS (see above).
+Lucchinetti el al.<ref name=":7" />schlugen vier unterschiedliche Immunmuster der Plaquebildung vor, die bei Patienten in verschiedenen Stadien der Krankheit gefunden wurden. Plaques vom Typ I und II werden von T-Lymphozyten- und Makrophagen-Entzündungen dominiert und es wird angenommen, dass sie T-Zell- bzw. T-Zell-plus-Antikörper-Autoimmun-Enzephalomyelitis-Modelle nachahmen. Myelinverlust in Typ-I-Plaques kann durch toxische Faktoren verursacht werden, die von aktivierten Makrophagen freigesetzt werden, während IgG- und Komplementablagerung auf eine Rolle von Antikörpern in Typ-II-Plaques hindeuten. Im Gegensatz dazu zeigen die Muster III und IV eine große Oligodendrozyten-Dystrophie. Es wird angenommen, dass Muster III mit Hypoxie-induzierten Läsionen zusammenhängt, die durch Defekte in der mitochondrialen Funktion verursacht werden,<ref name=":8">Nikić I., Merkler D., Sorbara C., Brinkoetter M., Kreutzfeldt M., Bareyre F.M., Brück W., Bishop D., Misgeld T., Kerschensteiner M. A reversible form of axon damage in experimental autoimmune encephalomyelitis and multiple sclerosis. Nat. Med. 2011;17:495–499. doi: 10.1038/nm.2324. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> wohingegen Muster-IV-Läsionen mit tiefgreifendem nicht-apoptotischem Tod von Oligodendrozyten in der weißen Substanz der Periplaque assoziiert sind.
-==== Functional Changes ====
+Barnett and Prineas<ref>Barnett M.H., Prineas J.W. Relapsing and remitting multiple sclerosis: Pathology of the newly forming lesion. Ann. Neurol. 2004;55:458–468. doi: 10.1002/ana.20016. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> analysierten Läsionen von Patienten direkt nach dem Einsetzen eines Rezidivs, während dessen eine aktive Plaquebildung andauerte. Ihre Ergebnisse legen nahe, dass Oligodendrozyten-Apoptose und Glia-Aktivierung während der frühen aktiven Plaquebildung in Abwesenheit von entzündlichen Lymphozyten oder Myelin-Phagozyten auftreten. Sie schlugen vor, dass die Anfälligkeit von Oligodendrozyten, die in Lucchinettis Typ-III-Muster beschrieben wird, in den frühen Stadien aller Plaquebildung vorhanden ist und der Auslöser für die nachfolgende postapoptotische Nekrose ist, die in späteren Stadien die Phagozytose von Myelin durch Makrophagen einleitet. In-vitro-Analysen dieses Prozesses haben Komplementkaskaden, Tumornekrosefaktoren oder gasförmige Second Messenger impliziert.<ref>Van der Laan L.J., Ruuls S.R., Weber K.S., Lodder I.J., Döpp E.A., Dijkstra C.D. Macrophage phagocytosis of myelin ''in vitro'' determined by flow cytometry: Phagocytosis is mediated by CR3 and induces production of tumor necrosis factor-α and nitric oxide. J. Neuroimmunol. 1996;70:145–152. doi: 10.1016/S0165-5728(96)00110-5. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref>Obwohl die Identifizierung von Plaques und die Überwachung ihres Fortschritts einen wichtigen klinischen Wert haben, gibt es nur eine bescheidene Korrelation zwischen der Belastung durch demyelinisierende Läsionen, wie sie durch herkömmliches MRI bestimmt wird, und der klinischen Behinderung von Patienten mit MS (siehe oben).
-The mechanisms of functional impairment during demyelination often include the disruption of transmembrane Na+, K+ and Ca2+ ions, the dispersal of their corresponding ion channels, a decrease in the efficiency of AP conduction and a resulting metabolic crisis (Figure 3). Demyelination can readily explain conduction failure within the affected axon. If conduction does not completely fail, conduction velocity can nonetheless be slowed and differential slowing across different axons can cause variable conduction delays that result in desynchronized spiking.
-Demyelination also allows denuded axons to become closely apposed, thus setting the stage for ephaptic interactions and crosstalk.<ref name=":1" /> Reflection can also occur because of impedance mismatch between myelinated and unmyelinated lengths of axon. On the other hand, hyperexcitability cannot be directly ascribed to demyelination; instead, secondary changes in intrinsic excitability need to be invoked to explain phenomena like ectopic spike generation and afterdischarge (AD). Alterations in excitability likely represent compensatory changes aimed at restoring function following the disruption caused directly by demyelination, consistent with a process referred to as homeostatic plasticity,<ref>Wang G., Thompson S.M. Maladaptive homeostatic plasticity in a rodent model of central pain syndrome: Thalamic hyperexcitability after spinothalamic tract lesions. J. Neurosci. 2008;28:11959–11969. doi: 10.1523/JNEUROSCI.3296-08.2008. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> but that compensation can evidently be maladaptive. Each of the aforementioned outcomes, which are not mutually exclusive, contribute to producing different symptoms observed in demyelinating diseases.
+==== Funktionale Änderungen ====
+Zu den Mechanismen der funktionellen Beeinträchtigung während der Demyelinisierung gehören häufig die Störung der transmembranen Na+-, K+- und Ca2+-Ionen, die Ausbreitung ihrer entsprechenden Ionenkanäle, eine Abnahme der Effizienz der AP-Leitung und eine daraus resultierende Stoffwechselkrise (Abbildung 3). Eine Demyelinisierung kann leicht einen Leitungsausfall innerhalb des betroffenen Axons erklären. Wenn die Leitung nicht vollständig ausfällt, kann die Leitungsgeschwindigkeit dennoch verlangsamt werden, und eine unterschiedliche Verlangsamung über verschiedene Axone kann variable Leitungsverzögerungen verursachen, die zu einem desynchronisierten Spiking führen.
-Paroxysmal symptoms characterized by the sudden onset or intensification of symptoms such as spasm or shooting pain likely arise from AD or otherwise inappropriate burst-type spiking. Such spiking patterns suggest highly nonlinear interactions among the contributing ion currents<ref name=":9">Coggan J.S., Prescott S.A., Bartol T.M., Sejnowski T.J. Imbalance of ionic conductances contributes to diverse symptoms of demyelination. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2010;107:20602–20609. doi: 10.1073/pnas.1013798107.[PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref name=":10">Coggan J.S., Ocker G.K., Sejnowski T.J., Prescott S.A. Explaining pathological changes in axonal excitability through dynamical analysis of conductance-based models. J. Neural Eng. 2011;8 doi: 10.1088/1741-2560/8/6/065002. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> and could, in theory at least, involve interactions between different regions of the neuron.<ref name=":11">Coggan J.S., Prescott S.A., Sejnowski T.J. Cooperativity between remote sites of ectopic spiking allows afterdischarge to be initiated and maintained at different locations. J. Comput. Neurosci. 2015;39:17–28. doi: 10.1007/s10827-015-0562-8. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> As opposed to more generic forms of hyperexcitability (e.g., increased firing rate or reduced threshold), these specific patterns are limited in terms of the precise mechanisms through which they might arise. Therefore, identifying the ion channel changes underlying those specific forms of hyperexcitability can help constrain the search for ion channel changes responsible for associated, yet less distinctive, forms of hyperexcitability.
+Die Demyelinisierung ermöglicht auch, dass entblößte Axone eng aneinander liegen, wodurch die Voraussetzungen für ephaptische Wechselwirkungen und Übersprechen geschaffen werden.<ref name=":1" /> Eine Reflexion kann auch aufgrund einer Impedanzfehlanpassung zwischen myelinisierten und nicht myelinisierten Axonlängen auftreten. Andererseits kann Übererregbarkeit nicht direkt der Demyelinisierung zugeschrieben werden; Stattdessen müssen sekundäre Veränderungen der intrinsischen Erregbarkeit herangezogen werden, um Phänomene wie die Erzeugung ektopischer Spitzen und Nachentladung (AD) zu erklären. Veränderungen der Erregbarkeit stellen wahrscheinlich kompensatorische Veränderungen dar, die darauf abzielen, die Funktion nach der direkt durch Demyelinisierung verursachten Störung wiederherzustellen, was mit einem Prozess übereinstimmt, der als homöostatische Plastizität bezeichnet wird,<ref>Wang G., Thompson S.M. Maladaptive homeostatic plasticity in a rodent model of central pain syndrome: Thalamic hyperexcitability after spinothalamic tract lesions. J. Neurosci. 2008;28:11959–11969. doi: 10.1523/JNEUROSCI.3296-08.2008. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> aber diese Kompensation kann offensichtlich maladaptiv sein. Jedes der oben genannten Ergebnisse, die sich nicht gegenseitig ausschließen, trägt dazu bei, unterschiedliche Symptome hervorzurufen, die bei demyelinisierenden Erkrankungen beobachtet werden.
-The disruption of energy balance in a neuron could also profoundly impact neuron well-being (Figure 3). Indeed, compensatory changes may manage to restore certain functions but, without reversing the primary problem, other problems may arise. For example, even if conduction block is prevented by an appropriate compensatory change in excitability (i.e., one that does not result in hyperexcitability), the system may be less energy efficient. Losing the energy savings afforded by saltatory conduction induces compensatory mitochondrial energy production that can result in oxidative damage and neurodegeneration.<ref name=":8" /><ref name=":12">Aon M.A., Cortassa S., Akar F.G., Brown D.A., Zhou L., O’Rourke B. From mitochondrial dynamics to arrhythmias. Int. J. Biochem. Cell Biol. 2009;41:1940–1948. doi: 10.1016/j.biocel.2009.02.016. [PMC free article][PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref name=":13">Su K., Bourdette D., Forte M. Mitochondrial dysfunction and neurodegeneration in multiple sclerosis. Front. Physiol. 2013;4doi: 10.3389/fphys.2013.00169. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref>
+Paroxysmale Symptome, die durch das plötzliche Einsetzen oder Verstärken von Symptomen wie Spasmen oder stechenden Schmerzen gekennzeichnet sind, entstehen wahrscheinlich durch AD oder anderweitig unangemessenes Spiking vom Burst-Typ. Solche Spiking-Muster legen hochgradig nichtlineare Wechselwirkungen zwischen dem beitragenden Ionenstrom nahes<ref name=":9">Coggan J.S., Prescott S.A., Bartol T.M., Sejnowski T.J. Imbalance of ionic conductances contributes to diverse symptoms of demyelination. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2010;107:20602–20609. doi: 10.1073/pnas.1013798107.[PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref name=":10">Coggan J.S., Ocker G.K., Sejnowski T.J., Prescott S.A. Explaining pathological changes in axonal excitability through dynamical analysis of conductance-based models. J. Neural Eng. 2011;8 doi: 10.1088/1741-2560/8/6/065002. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> and could, in theory at least, involve interactions between different regions of the neuron.<ref name=":11">Coggan J.S., Prescott S.A., Sejnowski T.J. Cooperativity between remote sites of ectopic spiking allows afterdischarge to be initiated and maintained at different locations. J. Comput. Neurosci. 2015;39:17–28. doi: 10.1007/s10827-015-0562-8. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Im Gegensatz zu allgemeineren Formen der Übererregbarkeit (z. B. erhöhte Feuerrate oder reduzierte Schwelle) sind diese spezifischen Muster in Bezug auf die genauen Mechanismen, durch die sie entstehen können, begrenzt. Daher kann die Identifizierung der Ionenkanalveränderungen, die diesen spezifischen Formen der Übererregbarkeit zugrunde liegen, dazu beitragen, die Suche nach Ionenkanalveränderungen einzuschränken, die für assoziierte, jedoch weniger ausgeprägte Formen der Übererregbarkeit verantwortlich sind.
-Keeping track of this long list of neurobiological changes, understanding the inter-relationships between those changes, and ultimately linking those changes with clinical manifestations and applying effective treatment is no easy task. To this end, computational modeling is an invaluable tool. Simulations not only serve to organize what information is already known, they also identify crucial gaps in knowledge. The judicious use of computational modeling can therefore enable more comprehensive understanding and facilitate the more effective application of that understanding, as discussed below.
+Die Störung des Energiegleichgewichts in einem Neuron könnte sich auch tiefgreifend auf das Wohlbefinden des Neurons auswirken (Abbildung 3). Tatsächlich können kompensierende Änderungen gewisse Funktionen wiederherstellen, aber ohne das Hauptproblem umzukehren, können andere Probleme auftreten. Selbst wenn zum Beispiel ein Leitungsblock durch eine geeignete kompensierende Änderung der Erregbarkeit verhindert wird (d. h. eine, die nicht zu einer Übererregbarkeit führt), kann das System weniger energieeffizient sein. Der Verlust der Energieeinsparungen durch Saltatorische Leitung induziert eine kompensatorische mitochondriale Energieproduktion, die zu oxidativen Schäden und Neurodegeneration führen kann.<ref name=":8" /><ref name=":12">Aon M.A., Cortassa S., Akar F.G., Brown D.A., Zhou L., O’Rourke B. From mitochondrial dynamics to arrhythmias. Int. J. Biochem. Cell Biol. 2009;41:1940–1948. doi: 10.1016/j.biocel.2009.02.016. [PMC free article][PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref name=":13">Su K., Bourdette D., Forte M. Mitochondrial dysfunction and neurodegeneration in multiple sclerosis. Front. Physiol. 2013;4doi: 10.3389/fphys.2013.00169. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref>
-=== Computational Modeling ===
+Es ist keine leichte Aufgabe, diese lange Liste neurobiologischer Veränderungen im Auge zu behalten, die Wechselbeziehungen zwischen diesen Veränderungen zu verstehen und diese Veränderungen letztendlich mit klinischen Manifestationen zu verknüpfen und eine wirksame Behandlung anzuwenden. Zu diesem Zweck ist die computergestützte Modellierung ein unschätzbares Werkzeug. Simulationen dienen nicht nur dazu, bereits bekannte Informationen zu organisieren, sondern identifizieren auch entscheidende Wissenslücken. Die vernünftige Verwendung von Computermodellen kann daher ein umfassenderes Verständnis ermöglichen und die effektivere Anwendung dieses Verständnisses erleichtern, wie unten erörtert.
-Especially when paired with traditional experiments, computational modeling is indispensable for making sense of inconsistent data and complex mechanisms. These benefits are exemplified by the application of simulations in other fields, such as epilepsy.<ref>Soltesz I., Staley K.  Computational Neuroscience in Epilepsy. 1st ed. Elsevier; London, UK: 2008.  [Google Scholar]</ref> Here we survey some of the history of computational modeling of axons, ion conductances, the physiology of myelin and demyelination, the immune system, mitochondria and other biological factors that are critical for understanding demyelinating diseases. Our review is not exhaustive but will provide a broad introduction to past, present, and future efforts in this area.
-==== Modeling Axons ====
+=== Computermodellierung ===
-The computational modeling of axons has evolved taxonomically, from squid to mammalian tissues with a corresponding increase in sophistication. The Hodgkin and Huxley (HH) model, which provided the first thorough explanation of AP generation, was derived from experiments in unmyelinated giant axons of squid,<ref>Hodgkin A.L., Huxley A.F. The components of membrane conductance in the giant axon of ''Loligo''. J. Physiol. 1952;116:473–496. doi: 10.1113/jphysiol.1952.sp004718. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Hodgkin A.L., Huxley A.F. Currents carried by sodium and potassium ions through the membrane of the giant axon of ''Loligo''. J. Physiol. 1952;116:449–472. doi: 10.1113/jphysiol.1952.sp004717. [PMC free article] [PubMed] </ref> but this early model has proven to be an invaluable tool from which later, more sophisticated models of myelinated axons have evolved.
+Insbesondere in Verbindung mit traditionellen Experimenten ist die Computermodellierung unverzichtbar, um inkonsistente Daten und komplexe Mechanismen zu verstehen. Diese Vorteile werden durch die Anwendung von Simulationen in anderen Bereichen, wie z. B. Epilepsie, veranschaulicht.<ref>Soltesz I., Staley K.  Computational Neuroscience in Epilepsy. 1st ed. Elsevier; London, UK: 2008.  [Google Scholar]</ref> Hier geben wir einen Überblick über die Geschichte der computergestützten Modellierung von Axonen, Ionenleitfähigkeiten, der Physiologie von Myelin und Demyelinisierung, des Immunsystems, der Mitochondrien und anderer biologischer Faktoren, die für das Verständnis demyelinisierender Krankheiten entscheidend sind. Unsere Übersicht erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit, bietet jedoch eine breite Einführung in vergangene, gegenwärtige und zukünftige Bemühungen auf diesem Gebiet.
-The spatial and biophysical heterogeneity conferred by the addition of myelin, and the consequent formation of nodes and internodal regions, represents a significant increase in axon complexity. The first computational model of a myelinated axon was a one-dimensional model that collapsed the myelin sheath into the underlying passive axolemma, used a uniform spatial step size to form the discrete approximation used in the numerical solution and employed a HH characterization of the nodal membrane.<ref>Fitzhugh R. Computation of impulse initiation and saltatory conduction in a myelinated nerve fiber. Biophys. J. 1962;2:11–21. doi: 10.1016/S0006-3495(62)86837-4. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Goldman & Albus<ref>Goldman L., Albus J.S. Computation of impulse conduction in myelinated fibers; theoretical basis of the velocity-diameter relation. Biophys. J. 1968;8:596–607. doi: 10.1016/S0006-3495(68)86510-5. [PMC free article][PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> modified this model to include a description of the nodal membrane derived from experimental data on Xenopus laevis myelinated nerve fibers as determined by Frankenhaeuser & Huxley.<ref>Frankenhaeuser B., Huxley A.F. The action potential in the myelinated nerve fiber of ''Xenopus'' ''laevis'' as computed on the basis of voltage clamp data. J. Physiol. 1964;171:302–315. doi: 10.1113/jphysiol.1964.sp007378.[PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Subsequent studies have used the same basic form for the model with some variations for the representation of the axolemma.<ref name=":2" /><ref>Smith R.S., Koles Z.J. Myelinated nerve fibers: Computed effect of myelin thickness on conduction velocity. Am. J. Physiol. 1970;219:1256–1258.[PubMed] [Google Scholar]</ref><ref>Hutchinson N.A., Koles Z.J., Smith R.S. Conduction velocity in myelinated nerve fibres of ''Xenopus'' ''laevis''. J. Physiol. 1970;208:279–289. doi: 10.1113/jphysiol.1970.sp009119. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Koles Z.J., Rasminsky M. A computer simulation of conduction in demyelinated nerve fibres. J. Physiol. 1972;227:351–364. doi: 10.1113/jphysiol.1972.sp010036. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Hardy W.L. Propagation speed in myelinated nerve. II. Theoretical dependence on external Na and on temperature. Biophys. J. 1973;13:1071–1089. doi: 10.1016/S0006-3495(73)86046-1. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Schauf C.L., Davis F.A. Impulse conduction in multiple sclerosis: A theoretical basis for modification by temperature and pharmacological agents. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry. 1974;37:152–161. doi: 10.1136/jnnp.37.2.152.[PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Brill M.H., Waxman S.G., Moore J.W., Joyner R.W. Conduction velocity and spike configuration in myelinated fibres: Computed dependence on internode distance. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry. 1977;40:769–774. doi: 10.1136/jnnp.40.8.769. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Waxman S.G., Brill M.H. Conduction through demyelinated plaques in multiple sclerosis: Computer simulations of facilitation by short internodes. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry. 1978;41:408–416. doi: 10.1136/jnnp.41.5.408.[PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Wood S.L., Waxman S.G., Kocsis J.D. Conduction of trans of impulses in uniform myelinated fibers: Computed dependence on stimulus frequency. Neuroscience. 1982;7:423–430. doi: 10.1016/0306-4522(82)90276-7. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Goldfinger M.D. Computation of high safety factor impulse propagation at axonal branch points. Neuroreport. 2000;11:449–456. doi: 10.1097/00001756-200002280-00005. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> The single cable model, describing the axon and all of its conductance and capacitance properties in one cable equation, has dominated the field until the present day despite the introduction of double cable models by Blight.<ref name=":14">Blight A.R. Computer simulation of action potentials and afterpotentials in mammalian myelinated axons: The case for a lower resistance myelin sheath. Neuroscience. 1985;15:13–31. doi: 10.1016/0306-4522(85)90119-8. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> In double cable models, the internodal axolemma and the myelin sheath are independently represented. The double cable model has been expanded by Halter and Clark<ref name=":15">Halter J.A., Clark J.W., Jr. A distributed-parameter model of the myelinated nerve fiber. J. Theor. Biol. 1991;148:345–382. doi: 10.1016/S0022-5193(05)80242-5. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> to explore effects of the complex geometry of CNS oligodendrocytes (or Schwann cells in the case of the PNS).
+==== Modellierung von Axonen ====
+Die computergestützte Modellierung von Axonen hat sich taxonomisch weiterentwickelt, von Tintenfisch- zu Säugetiergeweben mit einer entsprechenden Zunahme an Raffinesse. Das Modell von Hodgkin und Huxley (HH), das die erste gründliche Erklärung der AP-Erzeugung lieferte, wurde aus Experimenten an nicht myelinisierten Riesenaxonen von Tintenfischen abgeleitet,<ref>Hodgkin A.L., Huxley A.F. The components of membrane conductance in the giant axon of ''Loligo''. J. Physiol. 1952;116:473–496. doi: 10.1113/jphysiol.1952.sp004718. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Hodgkin A.L., Huxley A.F. Currents carried by sodium and potassium ions through the membrane of the giant axon of ''Loligo''. J. Physiol. 1952;116:449–472. doi: 10.1113/jphysiol.1952.sp004717. [PMC free article] [PubMed] </ref> aber dieses frühe Modell hat sich als unschätzbares Werkzeug erwiesen, aus dem sich später anspruchsvollere Modelle myelinisierter Axone entwickelt haben.
-Newer models have also improved upon previous simplifications including the anatomical complexity of the node of Ranvier, the distribution of ionic channels in the axon beneath the myelin sheath, the different electrical properties of the myelin sheath and the axolemma, and accommodation of possible current flow within the periaxonal space.<ref name=":15" /><ref>Schwarz J.R., Eikhof G. Na currents and action potentials in rat myelinated nerve fibres at 20 and 37 °C. Pflugers Arch. 1987;409:569–577. doi: 10.1007/BF00584655. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref name=":16">Stephanova D.I. Myelin as longitudinal conductor: A multi-layered model of the myelinated human motor nerve fibre. Biol. Cybern. 2001;84:301–308. doi: 10.1007/s004220000213. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref name=":17">McIntyre C.C., Richardson A.G., Grill W.M. Modeling the excitability of mammalian nerve fibers: Influence of afterpotentials on the recovery cycle. J. Neurophysiol. 2002;87:995–1006. [PubMed] [Google Scholar]</ref><ref name=":18">Einziger P.D., Livshitz L.M., Mizrahi J. Generalized cable equation model for myelinated nerve fiber. IEEE Trans. Biomed. Eng. 2005;52:1632–1642. doi: 10.1109/TBME.2005.856031. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Anatomical representations of the paranodal area have allowed more detailed assessment of the effects of traumatic brain injury (TBI) on myelinated axons.<ref>Volman V., Ng L. Primary paranode demyelination modulates slowly developing axonal depolarization in a model of axonal injury. J. Neural Comput. 2014;37:439–457. [PubMed] [Google Scholar]</ref> One of the most anatomically sophisticated models includes representation of the complex aqueous sheath structure of myelin lamellae as a series of interconnecting parallel lamellae in a model of motor nerves.<ref name=":6" /><ref name=":16" />
+Die räumliche und biophysikalische Heterogenität, die durch die Zugabe von Myelin verliehen wird, und die daraus resultierende Bildung von Knoten und internodalen Regionen, repräsentiert eine signifikante Erhöhung der Axonkomplexität. Das erste Computermodell eines myelinisierten Axons war ein eindimensionales Modell, das die Myelinscheide in das darunter liegende passive Axolemm kollabierte, eine einheitliche räumliche Schrittweite verwendete, um die diskrete Näherung zu bilden, die in der numerischen Lösung verwendet wurde, und eine HH-Charakterisierung der Knotenmembran verwendete.<ref>Fitzhugh R. Computation of impulse initiation and saltatory conduction in a myelinated nerve fiber. Biophys. J. 1962;2:11–21. doi: 10.1016/S0006-3495(62)86837-4. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Goldman & Albus<ref>Goldman L., Albus J.S. Computation of impulse conduction in myelinated fibers; theoretical basis of the velocity-diameter relation. Biophys. J. 1968;8:596–607. doi: 10.1016/S0006-3495(68)86510-5. [PMC free article][PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> modifizierten dieses Modell, um eine Beschreibung der Knotenmembran aufzunehmen, die aus experimentellen Daten von myelinisierten Xenopus laevis-Nervenfasern abgeleitet wurde, wie von Frankenhaeuser & Huxley bestimmt.<ref>Frankenhaeuser B., Huxley A.F. The action potential in the myelinated nerve fiber of ''Xenopus'' ''laevis'' as computed on the basis of voltage clamp data. J. Physiol. 1964;171:302–315. doi: 10.1113/jphysiol.1964.sp007378.[PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Nachfolgende Studien haben die gleiche Grundform für das Modell mit einigen Variationen für die Darstellung des Axolemma verwendet.<ref name=":2" /><ref>Smith R.S., Koles Z.J. Myelinated nerve fibers: Computed effect of myelin thickness on conduction velocity. Am. J. Physiol. 1970;219:1256–1258.[PubMed] [Google Scholar]</ref><ref>Hutchinson N.A., Koles Z.J., Smith R.S. Conduction velocity in myelinated nerve fibres of ''Xenopus'' ''laevis''. J. Physiol. 1970;208:279–289. doi: 10.1113/jphysiol.1970.sp009119. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Koles Z.J., Rasminsky M. A computer simulation of conduction in demyelinated nerve fibres. J. Physiol. 1972;227:351–364. doi: 10.1113/jphysiol.1972.sp010036. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Hardy W.L. Propagation speed in myelinated nerve. II. Theoretical dependence on external Na and on temperature. Biophys. J. 1973;13:1071–1089. doi: 10.1016/S0006-3495(73)86046-1. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Schauf C.L., Davis F.A. Impulse conduction in multiple sclerosis: A theoretical basis for modification by temperature and pharmacological agents. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry. 1974;37:152–161. doi: 10.1136/jnnp.37.2.152.[PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Brill M.H., Waxman S.G., Moore J.W., Joyner R.W. Conduction velocity and spike configuration in myelinated fibres: Computed dependence on internode distance. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry. 1977;40:769–774. doi: 10.1136/jnnp.40.8.769. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Waxman S.G., Brill M.H. Conduction through demyelinated plaques in multiple sclerosis: Computer simulations of facilitation by short internodes. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry. 1978;41:408–416. doi: 10.1136/jnnp.41.5.408.[PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Wood S.L., Waxman S.G., Kocsis J.D. Conduction of trans of impulses in uniform myelinated fibers: Computed dependence on stimulus frequency. Neuroscience. 1982;7:423–430. doi: 10.1016/0306-4522(82)90276-7. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Goldfinger M.D. Computation of high safety factor impulse propagation at axonal branch points. Neuroreport. 2000;11:449–456. doi: 10.1097/00001756-200002280-00005. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Das Einzelkabelmodell, das das Axon und alle seine Leitfähigkeits- und Kapazitätseigenschaften in einer Kabelgleichung beschreibt, hat das Feld bis heute dominiert, trotz der Einführung von Doppelkabelmodellen durch Blight.<ref name=":14">Blight A.R. Computer simulation of action potentials and afterpotentials in mammalian myelinated axons: The case for a lower resistance myelin sheath. Neuroscience. 1985;15:13–31. doi: 10.1016/0306-4522(85)90119-8. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> In Doppelkabelmodellen werden das internodale Axolemm und die Myelinscheide unabhängig voneinander dargestellt. Das Doppelseilmodell wurde von Halter und Clark erweitert<ref name=":15">Halter J.A., Clark J.W., Jr. A distributed-parameter model of the myelinated nerve fiber. J. Theor. Biol. 1991;148:345–382. doi: 10.1016/S0022-5193(05)80242-5. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref>um die Auswirkungen der komplexen Geometrie von ZNS-Oligodendrozyten (oder Schwann-Zellen im Fall des PNS) zu untersuchen.
-Newer models have also considered the non-uniform distribution of ion channels throughout the axon [19,84,85,86,87,88,89,90].<ref name=":4" /><ref>Stephanova D.I., Bostock H. A Distributed-parameter model of the myelinated human motor nerve fibre: Temporal and spatial distributions of action potentials and ionic currents. Biol. Cybern. 1995;73:275–280. doi: 10.1007/BF00201429. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Chiu S.Y., Ritchie J.M. On the physiological role of internodal potassium channels and the security of conduction in myelinated nerve fibres. Proc. R. Soc. Lond. B Biol. Sci. 1984;220:415–422. doi: 10.1098/rspb.1984.0010.[PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Brismar T., Schwarz J.R. Potassium permeability in rat myelinated nerve fibres. Acta Physiol. Scand. 1985;124:141–148. doi: 10.1111/j.1748-1716.1985.tb07645.x. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Chiu S.Y., Schwarz W. Sodium and potassium currents in acutely demyelinated internodes of rabbit sciatic nerves. J. Physiol. 1987;391:631–649. doi: 10.1113/jphysiol.1987.sp016760. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Baker M., Bostock H., Grafe P., Martius P. Function and distribution of three types of rectifying channel in rat spinal root myelinated axons. J. Physiol. 1987;383:45–67. [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar</ref><ref>Röper J., Schwarz J.R. Heterogeneous distribution of fast and slow potassium channels in myelinated rat nerve fibres. J. Physiol. 1989;416:93–110. doi: 10.1113/jphysiol.1989.sp017751. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Bittner S., Meuth S.G. Targeting ion channels for the treatment of autoimmune neuroinflammation. Ther. Adv. Neurol. Disord. 2013;6:322–336. doi: 10.1177/1756285613487782. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Beyond ion channels, energy-dependent pumps and other ion-transport mechanisms provide important therapeutic targets for a number of neurological disorders.<ref>Waxman S.G., Ritchie J.M. Molecular dissection of the myelinated axon. Ann. Neurol. 1993;33:121–136. doi: 10.1002/ana.410330202. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Bittner S., Budde T., Wiendl H., Meuth S.G. From the background to the spotlight: TASK channels in pathological conditions. Brain Pathol. 2010;20:999–1009. doi: 10.1111/j.1750-3639.2010.00407.x. [PMC free article][PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Ehling P., Bittner S., Budde T., Wiendl H., Meuth S.G. Ion channels in autoimmune neurodegeneration. FEBS Lett. 2011;585:3836–3842. doi: 10.1016/j.febslet.2011.03.065. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> In that respect, regulating transmembrane ion gradients costs significant energy and itself becomes an important consideration (see below).<ref name=":19">Hübel N., Dahlem M.A. Dynamics from seconds to hours in Hodgkin-Huxley model with time-dependent ion concentrations and buffer reservoirs. PLoS Comput. Biol. 2014;10:e1003941. doi: 10.1371/journal.pcbi.1003941.[PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> This is especially true since the small volume of axons renders them prone to ion concentration changes that can dramatically impact driving forces, and can become problematic in models that assume constant intracellular and extracellular concentrations. But recent models have also dealt with such issues (see below).
+Neuere Modelle haben auch frühere Vereinfachungen verbessert, darunter die anatomische Komplexität des Ranvier-Knotens, die Verteilung von Ionenkanälen im Axon unter der Myelinscheide, die unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften der Myelinscheide und des Axolemmas und die Anpassung an einen möglichen Stromfluss darin der Periaxonalraum.<ref name=":15" /><ref>Schwarz J.R., Eikhof G. Na currents and action potentials in rat myelinated nerve fibres at 20 and 37 °C. Pflugers Arch. 1987;409:569–577. doi: 10.1007/BF00584655. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref name=":16">Stephanova D.I. Myelin as longitudinal conductor: A multi-layered model of the myelinated human motor nerve fibre. Biol. Cybern. 2001;84:301–308. doi: 10.1007/s004220000213. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref name=":17">McIntyre C.C., Richardson A.G., Grill W.M. Modeling the excitability of mammalian nerve fibers: Influence of afterpotentials on the recovery cycle. J. Neurophysiol. 2002;87:995–1006. [PubMed] [Google Scholar]</ref><ref name=":18">Einziger P.D., Livshitz L.M., Mizrahi J. Generalized cable equation model for myelinated nerve fiber. IEEE Trans. Biomed. Eng. 2005;52:1632–1642. doi: 10.1109/TBME.2005.856031. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Anatomische Darstellungen des paranodalen Bereichs haben eine detailliertere Beurteilung der Auswirkungen einer traumatischen Hirnverletzung (TBI) auf myelinisierte Axone ermöglicht.<ref>Volman V., Ng L. Primary paranode demyelination modulates slowly developing axonal depolarization in a model of axonal injury. J. Neural Comput. 2014;37:439–457. [PubMed] [Google Scholar]</ref>Eines der anatomisch ausgefeiltesten Modelle umfasst die Darstellung der komplexen wässrigen Hüllenstruktur von Myelinlamellen als eine Reihe von miteinander verbundenen parallelen Lamellen in einem Modell motorischer Nerven.<ref name=":6" /><ref name=":16" />
-All of the aforementioned models focus on simulating the change in axon membrane potential but one does not necessarily have experimental access to that variable, which of course complicates efforts to compare simulation and experimental data. Indeed, since extracellular recordings are the primary source of electrophysiological data from human subjects, the mathematical description of the extracellular field potential is of great interest clinically. Mathematical evaluations based on Laplace equations and Fourier transforms are used for calculating these potentials (sometimes referred to as line-source modeling, e.g.,.<ref name=":18" /><ref>Ganapathy L., Clark J.W. Extracellular currents and potentials of the active myelinated nerve fibre. Biophys. J. 1987;52:749–761. doi: 10.1016/S0006-3495(87)83269-1. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref>
+Neuere Modelle haben auch die ungleichmäßige Verteilung von Ionenkanälen im gesamten Axon berücksichtigt [19,84,85,86,87,88,89,90].<ref name=":4" /><ref>Stephanova D.I., Bostock H. A Distributed-parameter model of the myelinated human motor nerve fibre: Temporal and spatial distributions of action potentials and ionic currents. Biol. Cybern. 1995;73:275–280. doi: 10.1007/BF00201429. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Chiu S.Y., Ritchie J.M. On the physiological role of internodal potassium channels and the security of conduction in myelinated nerve fibres. Proc. R. Soc. Lond. B Biol. Sci. 1984;220:415–422. doi: 10.1098/rspb.1984.0010.[PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Brismar T., Schwarz J.R. Potassium permeability in rat myelinated nerve fibres. Acta Physiol. Scand. 1985;124:141–148. doi: 10.1111/j.1748-1716.1985.tb07645.x. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Chiu S.Y., Schwarz W. Sodium and potassium currents in acutely demyelinated internodes of rabbit sciatic nerves. J. Physiol. 1987;391:631–649. doi: 10.1113/jphysiol.1987.sp016760. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Baker M., Bostock H., Grafe P., Martius P. Function and distribution of three types of rectifying channel in rat spinal root myelinated axons. J. Physiol. 1987;383:45–67. [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar</ref><ref>Röper J., Schwarz J.R. Heterogeneous distribution of fast and slow potassium channels in myelinated rat nerve fibres. J. Physiol. 1989;416:93–110. doi: 10.1113/jphysiol.1989.sp017751. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Bittner S., Meuth S.G. Targeting ion channels for the treatment of autoimmune neuroinflammation. Ther. Adv. Neurol. Disord. 2013;6:322–336. doi: 10.1177/1756285613487782. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref>Neben Ionenkanälen bieten energieabhängige Pumpen und andere Ionentransportmechanismen wichtige therapeutische Ziele für eine Reihe von neurologischen Störungen.<ref>Waxman S.G., Ritchie J.M. Molecular dissection of the myelinated axon. Ann. Neurol. 1993;33:121–136. doi: 10.1002/ana.410330202. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Bittner S., Budde T., Wiendl H., Meuth S.G. From the background to the spotlight: TASK channels in pathological conditions. Brain Pathol. 2010;20:999–1009. doi: 10.1111/j.1750-3639.2010.00407.x. [PMC free article][PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Ehling P., Bittner S., Budde T., Wiendl H., Meuth S.G. Ion channels in autoimmune neurodegeneration. FEBS Lett. 2011;585:3836–3842. doi: 10.1016/j.febslet.2011.03.065. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> In dieser Hinsicht kostet die Regulierung der Transmembran-Ionengradienten erhebliche Energie und wird selbst zu einer wichtigen Überlegung (siehe unten)..<ref name=":19">Hübel N., Dahlem M.A. Dynamics from seconds to hours in Hodgkin-Huxley model with time-dependent ion concentrations and buffer reservoirs. PLoS Comput. Biol. 2014;10:e1003941. doi: 10.1371/journal.pcbi.1003941.[PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Dies gilt insbesondere, da das kleine Volumen von Axonen sie anfällig für Ionenkonzentrationsänderungen macht, die sich dramatisch auf die Antriebskräfte auswirken können und in Modellen problematisch werden können, die konstante intrazelluläre und extrazelluläre Konzentrationen annehmen. Aber neuere Modelle haben sich auch mit solchen Problemen befasst (siehe unten).
-==== Modeling Specific Mechanisms ====
+Alle oben genannten Modelle konzentrieren sich auf die Simulation der Änderung des Axonmembranpotentials, aber man hat nicht unbedingt experimentellen Zugang zu dieser Variablen, was natürlich die Bemühungen erschwert, Simulations- und experimentelle Daten zu vergleichen. Da extrazelluläre Aufzeichnungen die primäre Quelle elektrophysiologischer Daten von menschlichen Probanden sind, ist die mathematische Beschreibung des extrazellulären Feldpotentials klinisch von großem Interesse. Zur Berechnung dieser Potentiale werden mathematische Auswertungen auf der Grundlage von Laplace-Gleichungen und Fourier-Transformationen verwendet (manchmal auch als Line-Source-Modellierung bezeichnet, z.,.<ref name=":18" /><ref>Ganapathy L., Clark J.W. Extracellular currents and potentials of the active myelinated nerve fibre. Biophys. J. 1987;52:749–761. doi: 10.1016/S0006-3495(87)83269-1. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref>
-Beyond modeling normal axonal function, models can be used to explore particular mechanisms of axonal dysfunction especially when combined with experimental results that might better pinpoint mechanisms.<ref>Prescott S.A. Pathological changes in peripheral nerve excitability. In: Jaeger D., Jung R., editors. Encyclopedia of Computational Neurosci. 1st ed. Springer-Verlag; New York, NY, USA: 2015.  [Google Scholar]</ref> For example, Barrett and Barrett<ref>Barrett E.F., Barrett J.N. Intracellular recording from vertebrate myelinated axons: Mechanism of the depolarizing afterpotential. J. Physiol. 1982;323:117–144. doi: 10.1113/jphysiol.1982.sp014064. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> showed that the depolarizing afterpotential (DAP) is sensitive to changes in conductance densities and capacitative changes that might occur during demyelination. A model by Blight was designed for simulation of his experimental recording conditions<ref name=":14" /><ref>Blight A.R., Someya S. Depolarizing afterpotentials in myelinated axons of mammalian spinal cord. Neuroscience. 1985;15:1–12. doi: 10.1016/0306-4522(85)90118-6. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> and represents a single internode with multiple discrete segments and adjacent nodes and internodes in single lumped-parameter segments. This model included K+ channels in the axolemma of the single multi-segmented internode and treats the remainder as purely passive.
-Building on this work, with careful attention to anatomical and electrophysiological details, McIntyre et al.<ref name=":17" /> addressed the role of the DAP and afterhyperpolarization (AHP) in the recovery cycle—the distinct pattern of threshold fluctuation following a single action potential exhibited by human nerves. The simulations suggested distinct roles for active and passive Na+ and K+ channels in both afterpotentials and proposed that differences in the AP shape, strength-duration relationship, and the recovery cycle of motor and sensory nerve fibers can be attributed to kinetic differences in nodal Na+ conductances. Richardson et al.<ref>Richardson A.G., McIntyre C.C., Grill W.M. Modelling the effects of electric fields on nerve fibres: Influence of the myelin sheath. Med. Biol. Eng. Comput. 2000;38:438–446. doi: 10.1007/BF02345014. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> also found that alteration to the standard “perfect insulator” model is necessary to reproduce DAPs during high-frequency stimulation.
+==== Modellierung spezifischer Mechanismen ====
+Über die Modellierung der normalen axonalen Funktion hinaus können Modelle verwendet werden, um bestimmte Mechanismen der axonalen Dysfunktion zu untersuchen, insbesondere wenn sie mit experimentellen Ergebnissen kombiniert werden, die die Mechanismen besser lokalisieren könnten.<ref>Prescott S.A. Pathological changes in peripheral nerve excitability. In: Jaeger D., Jung R., editors. Encyclopedia of Computational Neurosci. 1st ed. Springer-Verlag; New York, NY, USA: 2015.  [Google Scholar]</ref>Zum Beispiel, Barrett and Barrett<ref>Barrett E.F., Barrett J.N. Intracellular recording from vertebrate myelinated axons: Mechanism of the depolarizing afterpotential. J. Physiol. 1982;323:117–144. doi: 10.1113/jphysiol.1982.sp014064. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> zeigten, dass das depolarisierende Nachpotential (DAP) empfindlich auf Änderungen der Leitfähigkeitsdichten und kapazitiven Änderungen reagiert, die während der Demyelinisierung auftreten können. Ein Modell von Blight wurde zur Simulation seiner experimentellen Aufnahmebedingungen entworfen<ref name=":14" /><ref>Blight A.R., Someya S. Depolarizing afterpotentials in myelinated axons of mammalian spinal cord. Neuroscience. 1985;15:1–12. doi: 10.1016/0306-4522(85)90118-6. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref>und stellt ein einzelnes Internodium mit mehreren diskreten Segmenten und benachbarten Knoten und Internodien in einzelnen Segmenten mit konzentrierten Parametern dar. Dieses Modell umfasste K+-Kanäle im Axolemma des einzelnen multisegmentierten Internodiums und behandelt den Rest als rein passiv.
-The temperature sensitivity of demyelination effects has also been investigated computationally. Zlochiver<ref>Zlochiver S. Persistent reflection underlies ectopic activity in multiple sclerosis: A numerical study. Biol. Cybern. 2010;102:181–196. doi: 10.1007/s00422-009-0361-2. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> modeled persistent resonant reflection across a single focal demyelination plaque and found that this effect was sensitive to temperature and axon diameter. All of these examples demonstrated the power of simulations to examine specific mechanisms to explain observed phenomena from the clinic and offer guidance for future research.
+Aufbauend auf dieser Arbeit, mit sorgfältiger Beachtung anatomischer und elektrophysiologischer Details,McIntyre et al.<ref name=":17" /> befassten sich mit der Rolle des DAP und der Nachhyperpolarisation (AHP) im Erholungszyklus – dem ausgeprägten Muster der Schwellenfluktuation nach einem einzelnen Aktionspotential, das von menschlichen Nerven gezeigt wird. Die Simulationen legten unterschiedliche Rollen für aktive und passive Na+- und K+-Kanäle in beiden Nachpotentialen nahe und schlugen vor, dass Unterschiede in der AP-Form, Stärke-Dauer-Beziehung und dem Erholungszyklus von motorischen und sensorischen Nervenfasern kinetischen Unterschieden in den Knoten-Na+-Leitfähigkeiten zugeschrieben werden können . Richardsonet al.<ref>Richardson A.G., McIntyre C.C., Grill W.M. Modelling the effects of electric fields on nerve fibres: Influence of the myelin sheath. Med. Biol. Eng. Comput. 2000;38:438–446. doi: 10.1007/BF02345014. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> fanden auch heraus, dass eine Änderung des Standardmodells des „perfekten Isolators“ notwendig ist, um DAPs während der Hochfrequenzstimulation zu reproduzieren.
-As mentioned above, distinct changes in axon function are likely to manifest certain gain- or loss-of-function symptoms. If one could reproduce those changes in a computational model, the necessary parameter changes needed to convert the model between normal and abnormal operation could be used to predict the underlying pathology. Ideally this can lead to specific experiments in which the suspect ion channel, for example, is directly manipulated to see if its acute alteration is sufficient to reproduce or reverse certain pathological changes. Recent studies from the Prescott lab illustrate this process.<ref>Ratté S., Zhu Y., Lee K.Y., Prescott S.A. Criticality and degeneracy in injury-induced changes in primary afferent excitability and the implications for neuropathic pain. Elife. 2014;3:e02370. doi: 10.7554/eLife.02370.[PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Zhu Y., Feng B., Schwartz E.S., Gebhart G.F., Prescott S.A. Novel method to assess axonal excitability using channelrhodopsin-based photoactivation. J. Neurophysiol. 2015;113:2242–2249. doi: 10.1152/jn.00982.2014.[PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> This success of these studies depended on advanced techniques including the dynamic clamp technique, used to switch between normal and abnormal spiking patterns and optogenetic tools. The next step is to link changes in axon function with disease symptoms (or their behavioural correlates in animal models).
+Die Temperaturempfindlichkeit von Demyelinisierungseffekten wurde ebenfalls rechnerisch untersucht. Zlochiver<ref>Zlochiver S. Persistent reflection underlies ectopic activity in multiple sclerosis: A numerical study. Biol. Cybern. 2010;102:181–196. doi: 10.1007/s00422-009-0361-2. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> modellierten eine anhaltende Resonanzreflexion über eine einzelne fokale Demyelinisierungsplaque und stellten fest, dass dieser Effekt empfindlich auf Temperatur und Axondurchmesser reagierte. Alle diese Beispiele demonstrierten die Leistungsfähigkeit von Simulationen, um spezifische Mechanismen zu untersuchen, um beobachtete Phänomene aus der Klinik zu erklären und eine Anleitung für zukünftige Forschung zu bieten.
-In auditory nerve experiments, Tagoe and colleagues<ref>Tagoe T., Barker M., Jones A., Allcock N., Hamann M. Auditory nerve perinodal dysmyelination in noise-induced hearing loss. J. Neurosci. 2014;12:2684–2688. doi: 10.1523/JNEUROSCI.3977-13.2014.</ref> demonstrated that hearing loss related to morphological changes at paranodes and juxtaparanodes, including the elongation of the auditory nerve around nodes of Ranvier, can result from exposure to lound noise, Extending this work, Hamann and collegues built a computational model to examine possible mechanisms. Their model suggested that it is more likely that a decrease in the density of Na-channels, rather than a redistribution of Na or K channels in general, is responsible for the conduction inhibition associated with acoustic over-exposure.<ref>Brown A.M., Hamann M. Computational modeling of the effects of auditory nerve dysmyelination. Front. Neuroanat. 2014;8doi: 10.3389/fnana.2014.00073. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> This experiment-model tandem demonstrates the revelatory potential of pairing computational models with laboratory experiments.
+Wie oben erwähnt, manifestieren deutliche Veränderungen in der Axonfunktion wahrscheinlich bestimmte Funktionsgewinn- oder -verlustsymptome. Wenn man diese Änderungen in einem Rechenmodell reproduzieren könnte, könnten die notwendigen Parameteränderungen, die zum Umwandeln des Modells zwischen normalem und abnormalem Betrieb erforderlich sind, verwendet werden, um die zugrunde liegende Pathologie vorherzusagen. Im Idealfall kann dies zu konkreten Experimenten führen, in denen beispielsweise der verdächtige Ionenkanal direkt manipuliert wird, um zu sehen, ob seine akute Veränderung ausreicht, um bestimmte pathologische Veränderungen zu reproduzieren oder rückgängig zu machen. Jüngste Studien aus dem Prescott-Labor veranschaulichen diesen Prozess.<ref>Ratté S., Zhu Y., Lee K.Y., Prescott S.A. Criticality and degeneracy in injury-induced changes in primary afferent excitability and the implications for neuropathic pain. Elife. 2014;3:e02370. doi: 10.7554/eLife.02370.[PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>Zhu Y., Feng B., Schwartz E.S., Gebhart G.F., Prescott S.A. Novel method to assess axonal excitability using channelrhodopsin-based photoactivation. J. Neurophysiol. 2015;113:2242–2249. doi: 10.1152/jn.00982.2014.[PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Dieser Erfolg dieser Studien hing von fortschrittlichen Techniken ab, einschließlich der dynamischen Klemmtechnik, die verwendet wird, um zwischen normalen und abnormalen Spiking-Mustern und optogenetischen Werkzeugen zu wechseln. Der nächste Schritt besteht darin, Veränderungen in der Axonfunktion mit Krankheitssymptomen (oder ihren Verhaltenskorrelaten in Tiermodellen) zu verknüpfen.
-With a myelinated axon multi-layered model Stephanova and colleagues have had on-going success identifying likely anatomical and physiological deficiencies underlying various symptoms and conditions related to demyelination by making comparisons to the threshold tracking measurements from patients including latencies, refractoriness (the increase in threshold current during the relative refractory period), refractory period, supernormality, and threshold electrotonus values including stimulus-response measures such as current-threshold relationships.<ref name=":5" /> For example, they found that mild internodal systematic demyelination (ISD) is a specific indicator for CMT1A. Mild paranodal systematic demyelination (PSD) and paranodal systematic demyelination (PISD) are specific indicators for CIPD and its subtypes. Severe focal demyelinations, internodal and paranodal, paranodal-internodal (IFD and PFD, PIFD) are specific indicators for acquired demyelinating neuropathies such as GBS and MMN [18] (see Figure 1).
+In Hörnervenexperimenten Tagoe und Kollegen<ref>Tagoe T., Barker M., Jones A., Allcock N., Hamann M. Auditory nerve perinodal dysmyelination in noise-induced hearing loss. J. Neurosci. 2014;12:2684–2688. doi: 10.1523/JNEUROSCI.3977-13.2014.</ref> zeigten, dass Hörverlust im Zusammenhang mit morphologischen Veränderungen an Paranoden und Juxtaparanoden, einschließlich der Verlängerung des Hörnervs um Ranvier-Knoten, aus der Exposition gegenüber lautem Lärm resultieren kann. Hamann und Kollegen erweiterten diese Arbeit und bauten ein Computermodell, um mögliche Mechanismen zu untersuchen. Ihr Modell legte nahe, dass es wahrscheinlicher ist, dass eine Abnahme der Dichte von Na-Kanälen als eine Umverteilung von Na- oder K-Kanälen im Allgemeinen für die mit akustischer Überexposition verbundene Leitungshemmung verantwortlich ist.<ref>Brown A.M., Hamann M. Computational modeling of the effects of auditory nerve dysmyelination. Front. Neuroanat. 2014;8doi: 10.3389/fnana.2014.00073. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Dieses Experiment-Modell-Tandem demonstriert das aufschlussreiche Potenzial der Paarung von Computermodellen mit Laborexperimenten.
-Mild systematic and severe focal demyelination correspond to hereditary (CMT1A) and acquired (CIDP, GBS and MMN) neuropathies (Table 1). It was also found that 70% systematic demyelination is insufficient to cause symptoms and 96% is required for conduction block at a single node [18]. Thus, there is a large safety factor for focal demyelination. With their temperature-dependent version of the model of the myelinated human motor nerve fiber, Stephanova and Daskalova<ref>Stephanova D.I., Daskalova M. Electrotonic potentials in simulated chronic inflammatory demyelinating polyneuropathy at 20 °C–42 °C. J. Integr. Neurosci. 2015;27:1–18. doi: 10.1142/S0219635215500119. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> showed that the electrotonic potentials in patients with CIDP are in high risk for blocking during hypo- and even mild hyperthermia and suggest mechanisms involving increased magnitude of polarizing nodal and depolarizing internodal electrotonic potentials, inward rectifier K+ and leak K+ currents increase with temperature, and the accommodation to long-lasting hyperpolarization is greater than to depolarization.
+Mit einem mehrschichtigen Modell mit myelinisiertem Axon konnten Stephanova und Kollegen fortlaufend erfolgreich wahrscheinliche anatomische und physiologische Mängel identifizieren, die verschiedenen Symptomen und Zuständen im Zusammenhang mit der Demyelinisierung zugrunde liegen, indem sie Vergleiche mit den Schwellenverfolgungsmessungen von Patienten anstellten, einschließlich Latenzen, Refraktärität (die Erhöhung der Schwelle Strom während der relativen Refraktärzeit), Refraktärzeit, Supernormalität und Schwellenelektrotonuswerte, einschließlich Stimulus-Reaktions-Maßnahmen wie Strom-Schwellen-Beziehungen.<ref name=":5" />Beispielsweise fanden sie heraus, dass eine leichte internodale systematische Demyelinisierung (ISD) ein spezifischer Indikator für CMT1A ist. Milde paranodale systematische Demyelinisierung (PSD) und paranodale systematische Demyelinisierung (PISD) sind spezifische Indikatoren für CIPD und ihre Subtypen. Schwere fokale Demyelinisierungen, internodal und paranodal, paranodal-internodal (IFD und PFD, PIFD) sind spezifische Indikatoren für erworbene demyelinisierende Neuropathien wie GBS und MMN [18] (siehe Abbildung 1).
+Leichte systematische und schwere fokale Demyelinisierung entsprechen erblichen (CMT1A) und erworbenen (CIDP, GBS und MMN) Neuropathien (Tabelle 1). Es wurde auch festgestellt, dass 70 % der systematischen Demyelinisierung nicht ausreichen, um Symptome zu verursachen, und dass 96 % für einen Leitungsblock an einem einzelnen Knoten erforderlich sind [18]. Somit besteht ein großer Sicherheitsfaktor für die fokale Demyelinisierung. Mit ihrer temperaturabhängigen Version des Modells der myelinisierten menschlichen motorischen Nervenfaser, Stephanova und Daskalova<ref>Stephanova D.I., Daskalova M. Electrotonic potentials in simulated chronic inflammatory demyelinating polyneuropathy at 20 °C–42 °C. J. Integr. Neurosci. 2015;27:1–18. doi: 10.1142/S0219635215500119. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> zeigten, dass die elektrotonischen Potentiale bei Patienten mit CIDP während Hypo- und sogar leichter Hyperthermie einem hohen Blockierungsrisiko ausgesetzt sind, und deuten auf Mechanismen hin, die eine erhöhte Größe der polarisierenden elektrotonischen Knoten- und depolarisierenden internodalen elektrotonischen Potentiale, einen Anstieg der nach innen gerichteten Gleichrichter-K+- und Leck-K+-Ströme mit der Temperatur umfassen, und die Akkommodation bei lang anhaltender Hyperpolarisation ist größer als bei Depolarisation.
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-==== Simple Models and Nonlinear Dynamical Analysis ====
+==== Einfache Modelle und nichtlineare dynamische Analyse ====
-Given the temporal dissociation between the manifestation of symptoms and the rates of demyelination and remyelination, homeostatic processes undoubtedly occur within axons, which include the redistribution of ion channels in demyelinated plaques.<ref>Rasminsky M. Hyperexcitability of pathologically myelinated axons and positive symptoms in multiple sclerosis. Adv. Neurol. 1981;31:289–297.[PubMed] [Google Scholar]</ref><ref>Ulrich J., Groebke-Lorenz W. The optic nerve in multiple sclerosis: A morphological study with retrospective clinicopathological correlation. Neuro-Ophthalmology. 1983;3:149–159. doi: 10.3109/01658108309009732.[CrossRef] [Google Scholar]</ref> But given the diversity of ion channels expressed by different axons and only patchy knowledge of how expression levels change, building detailed models to investigate those homeostatic processes is problematic. Especially under those conditions, highly simplified models can help identify fundamental principles, as exemplified by joint use of modified HH and Morris-Lecar models [57,58]. The results of those studies suggested a simple explanation for the breadth of symptoms encountered during demyelination by revealing that the ratio of Na+ to leak K+ conductance, g(Na)/g(L), acted as a four-way switch controlling excitability patterns that included failure of AP propagation, normal AP propagation, AD, and spontaneous spiking.
+Given the temporal dissociation between the manifestation of symptoms and the rates of demyelination and remyelination, homeostatic processes undoubtedly occur within axons, which include the redistribution of ion channels in demyelinated plaques.<ref>Rasminsky M. Hyperexcitability of pathologically myelinated axons and positive symptoms in multiple sclerosis. Adv. Neurol. 1981;31:289–297.[PubMed] [Google Scholar]</ref><ref>Ulrich J., Groebke-Lorenz W. The optic nerve in multiple sclerosis: A morphological study with retrospective clinicopathological correlation. Neuro-Ophthalmology. 1983;3:149–159. doi: 10.3109/01658108309009732.[CrossRef] [Google Scholar]</ref>Angesichts der Vielfalt der Ionenkanäle, die von verschiedenen Axonen exprimiert werden, und des nur lückenhaften Wissens darüber, wie sich die Expressionsniveaus ändern, ist der Aufbau detaillierter Modelle zur Untersuchung dieser homöostatischen Prozesse problematisch. Besonders unter diesen Bedingungen können stark vereinfachte Modelle helfen, grundlegende Prinzipien zu identifizieren, wie die gemeinsame Verwendung von modifizierten HH- und Morris-Lecar-Modellen veranschaulicht [57,58]. Die Ergebnisse dieser Studien legten eine einfache Erklärung für die Breite der Symptome nahe, die während der Demyelinisierung auftreten, indem sie aufzeigten, dass das Verhältnis von Na+ zu Leck-K+-Leitfähigkeit, g(Na)/g(L), als ein Vier-Wege-Schalter fungierte, der die Erregungsmuster steuerte umfassten das Versagen der AP-Ausbreitung, die normale AP-Ausbreitung, AD und spontanes Spiking.
-Further studies with this model suggested the potential for competition or cooperation between different regions of the same neuron.<ref name=":11" /> Cooperativity between remote sites of ectopic spiking allows AD to be initiated and maintained at different locations within a single axon, thus providing a compelling explanation for the temporal and spatial discontinuities of pain and other symptoms presented by MS patients. Remarkably, in a recent study of demyelinated axons in a cuprizone mouse model, experimental evidence was seen for a redistribution of ion channels from the node of Ranvier, enhanced ectopic excitability along with antidromically propagated APs from the demyelinated plaque, as well as a compensatory shift in the excitability of membranes proximal to the soma.<ref>Hamada M.S., Kole M.H. Myelin loss and axonal ion channel adaptations associated with gray matter neuronal hyperexcitability. J. Neurosci. 2015;35:7272–7786. [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]</ref> All of these observations concur or are consistent with the computational model predictions of Coggan and colleagues and imply the success of the computational approach to guiding laboratory studies.
+Weitere Studien mit diesem Modell legten das Potenzial für Konkurrenz oder Kooperation zwischen verschiedenen Regionen desselben Neurons nahe.<ref name=":11" /> Die Kooperation zwischen entfernten Orten ektopischer Spikings ermöglicht es, AD an verschiedenen Orten innerhalb eines einzelnen Axons zu initiieren und aufrechtzuerhalten, wodurch eine überzeugende Erklärung für die zeitlichen und räumlichen Diskontinuitäten von Schmerzen und anderen Symptomen bei MS-Patienten bereitgestellt wird. Bemerkenswerterweise wurden in einer kürzlich durchgeführten Studie über demyelinisierte Axone in einem Cuprizon-Mausmodell experimentelle Beweise für eine Umverteilung von Ionenkanälen aus dem Ranvier-Knoten, eine erhöhte ektopische Erregbarkeit zusammen mit antidrom vermehrten APs aus der demyelinisierten Plaque sowie eine kompensatorische Verschiebung gesehen in der Erregbarkeit von Membranen proximal zum Soma.<ref>Hamada M.S., Kole M.H. Myelin loss and axonal ion channel adaptations associated with gray matter neuronal hyperexcitability. J. Neurosci. 2015;35:7272–7786. [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]</ref> Alle diese Beobachtungen stimmen mit den Berechnungsmodellvorhersagen von Coggan und Kollegen überein oder stimmen mit diesen überein und implizieren den Erfolg des Berechnungsansatzes zur Führung von Laborstudien.
-Furthermore, these simplified models enabled application of mathematical tools to examine the nonlinear mechanisms by which AD is initiated and terminated.<ref name=":9" /><ref name=":10" /><ref name=":11" /> Bifurcation analysis revealed the underlying bistability of axon excitability under pathological conditions, as well as the factors controlling the transition from one attractor state to another. AD, for example, requires a slow inward current that allows for two stable attractor states, one corresponding to quiescence and the other to repetitive spiking (a limit cycle). Termination of AD was explained by the attractor associated with repetitive spiking being destroyed. This occurred when ultra-slow negative feedback in the form of intracellular Na+ accumulation caused the destruction of the limit-cycle attractor state [58]. Other studies using bifurcation analysis suggest that ion concentration changes can introduce slow dynamics that may be important for understanding pathological outcomes [94,109].<ref name=":19" /><ref>Yu N., Morris C.E., Joós B., Longtin A. Spontaneous excitation patterns computed for axons with injury-like impairments of sodium channels and Na/K pumps. PLoS Comput. Biol. 2012;8:e1002664. doi: 10.1371/journal.pcbi.1002664. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref>
+Darüber hinaus ermöglichten diese vereinfachten Modelle die Anwendung mathematischer Werkzeuge zur Untersuchung der nichtlinearen Mechanismen, durch die AD initiiert und beendet wird.<ref name=":9" /><ref name=":10" /><ref name=":11" /> Bifurkationsanalysen zeigten die zugrunde liegende Bistabilität der Axonerregbarkeit unter pathologischen Bedingungen sowie die Faktoren, die den Übergang von einem Attraktorzustand zu einem anderen steuern. AD erfordert beispielsweise einen langsamen Einwärtsstrom, der zwei stabile Attraktorzustände ermöglicht, von denen einer der Ruhe und der andere dem wiederholten Spiking (einem Grenzzyklus) entspricht. Die Beendigung von AD wurde dadurch erklärt, dass der Attraktor, der mit wiederholtem Spiking verbunden ist, zerstört wird. Dies geschah, als eine ultralangsame negative Rückkopplung in Form einer intrazellulären Na+-Akkumulation die Zerstörung des Grenzzyklus-Attraktorzustands verursachte [58]. Andere Studien, die Bifurkationsanalysen verwenden, legen nahe, dass Änderungen der Ionenkonzentration eine langsame Dynamik einführen können, die für das Verständnis pathologischer Ergebnisse wichtig sein kann [94,109].<ref name=":19" /><ref>Yu N., Morris C.E., Joós B., Longtin A. Spontaneous excitation patterns computed for axons with injury-like impairments of sodium channels and Na/K pumps. PLoS Comput. Biol. 2012;8:e1002664. doi: 10.1371/journal.pcbi.1002664. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref>
-==== Modeling at Small Scales ====
+==== Modellierung im kleinen Maßstab ====
-Studies mentioned above highlight the importance of ion concentration changes but each of them only considered those changes at a relatively course scale. By comparison, the study by Lorpreore et al.<ref>Lopreore C.L., Bartol T.M., Coggan J.S., Keller D.X., Sosinsky G.E., Ellisman M.H., Sejnowski T.J. Computational modeling of three-dimensional electrodiffusion in biological systems: Application to the node of Ranvier. Biophys. J. 2008;95:2624–2635. doi: 10.1529/biophysj.108.132167.</ref> tackled the daunting problem of modeling three-dimensional electro-diffusion of ion fluxes in micro and nano-domains surrounding ion channels at the node of Ranvier. In this unique model, the fluxes of ions are calculated by Poisson-Nernst-Planck equations with finite volume techniques. The fluxes and electric potentials were evaluated within voxels formed by a Delaunay-Voronoi mesh of the axon interior and exterior close to the membrane. Importantly, the algorithm was validated and results agreed with cable model predictions. Divergence from cable model predictions at smaller cluster sizes revealed the importance of each channel’s own electric field.
+Die oben erwähnten Studien heben die Bedeutung von Änderungen der Ionenkonzentration hervor, aber jede von ihnen berücksichtigte diese Änderungen nur in einem relativ groben Maßstab. Die Studie von Lorpreore et al.<ref>Lopreore C.L., Bartol T.M., Coggan J.S., Keller D.X., Sosinsky G.E., Ellisman M.H., Sejnowski T.J. Computational modeling of three-dimensional electrodiffusion in biological systems: Application to the node of Ranvier. Biophys. J. 2008;95:2624–2635. doi: 10.1529/biophysj.108.132167.</ref>befassten sich mit dem entmutigenden Problem der Modellierung der dreidimensionalen Elektrodiffusion von Ionenflüssen in Mikro- und Nanodomänen, die Ionenkanäle am Knoten von Ranvier umgeben. In diesem einzigartigen Modell werden die Ionenflüsse durch Poisson-Nernst-Planck-Gleichungen mit Finite-Volumen-Techniken berechnet. Die Flüsse und elektrischen Potentiale wurden innerhalb von Voxeln bewertet, die durch ein Delaunay-Voronoi-Netz des Axons innerhalb und außerhalb der Membran gebildet wurden. Wichtig ist, dass der Algorithmus validiert wurde und die Ergebnisse mit den Vorhersagen des Kabelmodells übereinstimmten. Abweichungen von Kabelmodellvorhersagen bei kleineren Clustergrößen zeigten die Bedeutung des eigenen elektrischen Felds jedes Kanals.
-The above example highlights the point that models can simulate more than ion channels and membrane potential. Indeed, models can and must dig deeper into biophysical mechanisms like electro-diffusion and into signaling pathways that ultimately serve to regulate ion channel function and expression. A promising method called Biochemical Systems Theory (BST) may be useful in the future for pre-screening the effects of drugs at the systemic level. Broome and Coleman<ref>Broome T.M., Cole.man R.A. A mathematical model of cell death in multiple sclerosis. J. Neurosci. Methods. 2011;201:420–425. doi: 10.1016/j.jneumeth.2011.08.008. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> demonstrated the power of this technique by modeling several biochemical pathways in neurons associated with cell death during MS including reactive oxygen and nitrogen species formation, Ca2+ dynamics, death complex formation, apoptotic factor release, and inflammatory responses together with three different states: normal, MS disease and treatment. At the atomic-level, a computational model of myelin basic protein (MBP) structure was carried-out because post-translational modifications of MBP may contribute to demyelination in MS.<ref>Ridsdale R.A., Beniac D.R., Tompkins T.A., Moscarello M.A., Harauz G. Three-dimensional structure of myelin basic protein. II. Molecular modeling and considerations of predicted structures in multiple sclerosis. J. Biol. Chem. 1997;272:4269–4275. doi: 10.1074/jbc.272.7.4269. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> It is important to understand its 3D structure to predict interaction sites with other molecules but a crystal structure for this protein might never be measured directly. This type of modeling may, therefore, represent an effective way to predict the structure by combining knowledge of amino acid sequence with information from similar proteins. The challenge for and the true power of modeling lies in connecting mechanisms that operate at vastly different scales, from molecular structure to the nervous system as a whole, and beyond, to address how the nervous system interacts with the immune system.
+Das obige Beispiel unterstreicht den Punkt, dass Modelle mehr als Ionenkanäle und Membranpotential simulieren können. In der Tat können und müssen Modelle tiefer in biophysikalische Mechanismen wie Elektrodiffusion und in Signalwege eintauchen, die letztendlich dazu dienen, die Funktion und Expression von Ionenkanälen zu regulieren. Eine vielversprechende Methode namens Biochemical Systems Theory (BST) könnte in Zukunft nützlich sein, um die Wirkung von Arzneimitteln auf systemischer Ebene vorab zu überprüfen. Broome und Coleman<ref>Broome T.M., Cole.man R.A. A mathematical model of cell death in multiple sclerosis. J. Neurosci. Methods. 2011;201:420–425. doi: 10.1016/j.jneumeth.2011.08.008. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> demonstrierten die Leistungsfähigkeit dieser Technik durch die Modellierung mehrerer biochemischer Wege in Neuronen, die mit dem Zelltod während MS in Verbindung stehen, einschließlich der Bildung reaktiver Sauerstoff- und Stickstoffspezies, der Ca2+-Dynamik, der Bildung von Todeskomplexen, der Freisetzung von apoptotischen Faktoren und Entzündungsreaktionen zusammen mit drei verschiedenen Zuständen: normal, MS Krankheit und Behandlung. Auf atomarer Ebene wurde ein Computermodell der Struktur des Myelin-Basisproteins (MBP) durchgeführt, da posttranslationale Modifikationen von MBP zur Demyelinisierung bei MS beitragen können.<ref>Ridsdale R.A., Beniac D.R., Tompkins T.A., Moscarello M.A., Harauz G. Three-dimensional structure of myelin basic protein. II. Molecular modeling and considerations of predicted structures in multiple sclerosis. J. Biol. Chem. 1997;272:4269–4275. doi: 10.1074/jbc.272.7.4269. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref>Es ist wichtig, seine 3D-Struktur zu verstehen, um Interaktionsstellen mit anderen Molekülen vorherzusagen, aber eine Kristallstruktur für dieses Protein könnte niemals direkt gemessen werden. Diese Art der Modellierung kann daher einen effektiven Weg darstellen, um die Struktur vorherzusagen, indem das Wissen über die Aminosäuresequenz mit Informationen von ähnlichen Proteinen kombiniert wird. Die Herausforderung und die wahre Stärke der Modellierung liegt in der Verbindung von Mechanismen, die auf sehr unterschiedlichen Ebenen ablaufen, von der molekularen Struktur bis zum Nervensystem als Ganzes und darüber hinaus, um zu untersuchen, wie das Nervensystem mit dem Immunsystem interagiert.
-Models of Immune Factors. While there are numerous computational models of the immune system,<ref>Pigozzo A.B., Macedo G.C., Santos R.W., Lobosco M. On the computational modeling of the innate immune system. BMC Bioinform. 2013;14 doi: 10.1186/1471-2105-14-S6-S7. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> those related to MS typically model genetic interaction networks, either represented as sets of ordinary differential equations (ODEs) or Boolean networks. One systems biology model of a possible cellular mechanism of RRMS found breakdown in homeostasis of effector (Teff) and regulatory T (Treg) cells.<ref>Doerck S., Göbel K., Weise G., Schneider-Hohendorf T., Reinhardt M., Hauff P., Schwab N., Linker R., Mäurer M., Meuth S.G., et al. Temporal pattern of ICAM-I mediated regulatory T cell recruitment to sites of inflammation in adoptive transfer model of multiple sclerosis. PLoS ONE. 2010;5:e15478. doi: 10.1371/journal.pone.0015478. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>De Mendizábal N.V., Carneiro J., Solé R.V., Goñi J., Bragard J., Martinez-Forero I., Martinez-Pasamar S., Sepulcre J., Torrealdea J., Bagnato F., et al. Modeling the effector-regulatory T cell cross-regulation reveals the intrinsic character of relapses in Multiple Sclerosis. BMC Syst. Biol. 2011;5doi: 10.1186/1752-0509-5-114. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> By changing parameters in the Teff-Treg feedback loop, under continual stochastic external stimulus from antigens, the model reproduced spontaneous and apparently stochastic immune relapses. The irreversible damage from each episode accumulates over time. Novel predictions include the suggestion that the timing of Treg immunotherapy in the immune response cycle is critical in determining whether intervention is beneficial or deleterious.
+Modelle von Immunfaktoren. Zwar gibt es zahlreiche Computermodelle des Immunsystems,<ref>Pigozzo A.B., Macedo G.C., Santos R.W., Lobosco M. On the computational modeling of the innate immune system. BMC Bioinform. 2013;14 doi: 10.1186/1471-2105-14-S6-S7. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> diejenigen, die sich auf MS beziehen, modellieren typischerweise genetische Interaktionsnetzwerke, die entweder als Sätze gewöhnlicher Differentialgleichungen (ODEs) oder als Boolesche Netzwerke dargestellt werden. Ein systembiologisches Modell eines möglichen zellulären Mechanismus von RRMS fand einen Zusammenbruch der Homöostase von Effektor (Teff) und regulatorischen T (Treg) Zellen.<ref>Doerck S., Göbel K., Weise G., Schneider-Hohendorf T., Reinhardt M., Hauff P., Schwab N., Linker R., Mäurer M., Meuth S.G., et al. Temporal pattern of ICAM-I mediated regulatory T cell recruitment to sites of inflammation in adoptive transfer model of multiple sclerosis. PLoS ONE. 2010;5:e15478. doi: 10.1371/journal.pone.0015478. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref>De Mendizábal N.V., Carneiro J., Solé R.V., Goñi J., Bragard J., Martinez-Forero I., Martinez-Pasamar S., Sepulcre J., Torrealdea J., Bagnato F., et al. Modeling the effector-regulatory T cell cross-regulation reveals the intrinsic character of relapses in Multiple Sclerosis. BMC Syst. Biol. 2011;5doi: 10.1186/1752-0509-5-114. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Durch die Änderung von Parametern in der Teff-Treg-Rückkopplungsschleife reproduzierte das Modell unter kontinuierlichem stochastischen externen Stimulus von Antigenen spontane und scheinbar stochastische Immunrückfälle. Der irreversible Schaden aus jeder Episode sammelt sich im Laufe der Zeit an. Zu den neuartigen Vorhersagen gehört der Vorschlag, dass der Zeitpunkt der Treg-Immuntherapie im Immunreaktionszyklus entscheidend dafür ist, ob eine Intervention vorteilhaft oder schädlich ist.
-Models of Mitochondrial Dysfunction. As mentioned above, myelin enables more energy efficient AP conduction along the axon. The increased energy demands placed on the demyelinated axon represents yet another challenge to the afflicted neuron. Beyond the loss of saltatory conduction, there is mounting evidence of a critical role for astrocytes and oligodendrocytes in supplying energy to neurons and this process has also been the subject of computational modeling.<ref>Jolivet R., Coggan J.S., Allaman I., Magistretti P.J. Multi-timescale modeling of activity-dependent metabolic coupling in the neuron-glia-vasculature ensemble. PLoS Comput. Biol. 2015;11:e1004036. doi: 10.1371/journal.pcbi.1004036. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef]</ref>
+Modelle der mitochondrialen Dysfunktion. Wie oben erwähnt, ermöglicht Myelin eine energieeffizientere AP-Leitung entlang des Axons. Der erhöhte Energiebedarf, der an das demyelinisierte Axon gestellt wird, stellt eine weitere Herausforderung für das betroffene Neuron dar. Über den Verlust der Salzleitung hinaus gibt es zunehmend Hinweise auf eine entscheidende Rolle von Astrozyten und Oligodendrozyten bei der Energieversorgung von Neuronen, und dieser Prozess war auch Gegenstand von Computermodellen.<ref>Jolivet R., Coggan J.S., Allaman I., Magistretti P.J. Multi-timescale modeling of activity-dependent metabolic coupling in the neuron-glia-vasculature ensemble. PLoS Comput. Biol. 2015;11:e1004036. doi: 10.1371/journal.pcbi.1004036. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef]</ref>
-There are many ways mitochondrial function can go awry and the compensatory pathways are equally complicated.<ref name=":8" /><ref name=":12" /><ref name=":13" /> For example, mitochondrial dysfunction can be rooted in perturbed Ca2+ signaling within mitochondria, disrupted proton gradients or electron chain, reduction-oxidation imbalance as well as the consequences of reduced ATP availability, locally and globally. Multi-scale models of heart, for example, have been used to link altered mitochrondrial Ca2+ signaling to arrhythmia [60]. Using mitochondrial network modeling, this study demonstrated how even slightly too much reactive oxygen species can trigger a cell-wide collapse of mitochondrial membrane potential. This is an excellent example of how a computational model can link processes occurring at different levels, and it is precisely these linkages that must be established in the field of demyelination diseases.
+Es gibt viele Möglichkeiten, wie die mitochondriale Funktion schief gehen kann, und die kompensatorischen Wege sind ebenso kompliziert.<ref name=":8" /><ref name=":12" /><ref name=":13" />Beispielsweise kann eine mitochondriale Dysfunktion in einer gestörten Ca2+-Signalübertragung innerhalb der Mitochondrien, gestörten Protonengradienten oder Elektronenketten, einem Reduktions-Oxidations-Ungleichgewicht sowie den Folgen einer reduzierten ATP-Verfügbarkeit, lokal und global, verwurzelt sein. Beispielsweise wurden Multiskalenmodelle des Herzens verwendet, um eine veränderte mitochondriale Ca2+-Signalübertragung mit Arrhythmie in Verbindung zu bringen [60]. Unter Verwendung von mitochondrialen Netzwerkmodellen zeigte diese Studie, wie sogar etwas zu viele reaktive Sauerstoffspezies einen zellweiten Zusammenbruch des mitochondrialen Membranpotentials auslösen können. Dies ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie ein Computermodell Prozesse auf verschiedenen Ebenen verknüpfen kann, und genau diese Verknüpfungen müssen im Bereich der Demyelinisierungskrankheiten hergestellt werden.
-=== Missing Links and the Need for Integration ===
+=== Fehlende Verbindungen und die Notwendigkeit der Integration ===
-Within the field of demyelinating diseases, modeling efforts have traditionally focused on axon models aimed at explaining various aspects of excitability. But as outlined above, those models have undergone tremendous evolution in complexity. In the process, models at different biological scales have begun to coalesce. For instance, models have now begun to address the regulation of ion concentrations and the consequences thereof for slow excitability changes, energy consumption, and toxicity. A computational approach will be necessary for integrating parallel and multifactorial etiologies associated with cognitive decline such as immune system signaling, energy metabolism, grey and white matter interactions, and genetic networks [117].<ref>Zeis T., Allaman I., Gentner M., Schroder K., Tschopp J., Magistretti P.J., Schaeren-Wiemers N. Metabolic gene expression changes in astrocytes in Multiple Sclerosis cerebral cortex are indicative of immune-mediated signaling. Brain Behav. Immun. 2015;48:315–325. doi: 10.1016/j.bbi.2015.04.013.[PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> These continued efforts are starting to uncover the vast and interconnected feedback loops that operate across a broad range of spatial and temporal scales. That said, such efforts are still in their infancy and wide gaps remain in the modeling of demyelinating diseases. It is easier to describe what has been modeled than what has not. A truly integrated model involving multiple cell types that addresses all the hypothesized etiological factors remains unrealized. Among the unexplored or under-explored but potentially useful targets for modeling are grey matter pathology, myelin sheath aqueous layers, energy metabolism, and perhaps most importantly, multi-scale or integrated modeling. One should recognize that the necessary tools exist in other fields of study and can, therefore, be readily applied to the study of demyelination diseases.
+Auf dem Gebiet der demyelinisierenden Erkrankungen haben sich die Modellierungsbemühungen traditionell auf Axonmodelle konzentriert, die darauf abzielen, verschiedene Aspekte der Erregbarkeit zu erklären. Aber wie oben skizziert, haben diese Modelle eine enorme Entwicklung in ihrer Komplexität durchlaufen. Dabei begannen sich Modelle auf verschiedenen biologischen Skalen zu verschmelzen. Beispielsweise haben jetzt Modelle begonnen, sich mit der Regulation von Ionenkonzentrationen und deren Folgen für langsame Erregbarkeitsänderungen, Energieverbrauch und Toxizität zu befassen. Ein computergestützter Ansatz wird notwendig sein, um parallele und multifaktorielle Ätiologien zu integrieren, die mit kognitivem Verfall verbunden sind, wie z. B. Signalübertragung des Immunsystems, Energiestoffwechsel, Wechselwirkungen zwischen grauer und weißer Substanz und genetische Netzwerke [117]..<ref>Zeis T., Allaman I., Gentner M., Schroder K., Tschopp J., Magistretti P.J., Schaeren-Wiemers N. Metabolic gene expression changes in astrocytes in Multiple Sclerosis cerebral cortex are indicative of immune-mediated signaling. Brain Behav. Immun. 2015;48:315–325. doi: 10.1016/j.bbi.2015.04.013.[PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Diese fortgesetzten Bemühungen beginnen, die riesigen und miteinander verbundenen Rückkopplungsschleifen aufzudecken, die über eine breite Palette von räumlichen und zeitlichen Skalen hinweg wirken. Allerdings stecken solche Bemühungen noch in den Kinderschuhen und es bestehen noch große Lücken in der Modellierung demyelinisierender Erkrankungen. Es ist einfacher zu beschreiben, was modelliert wurde, als was nicht. Ein wirklich integriertes Modell mit mehreren Zelltypen, das alle hypothetischen ätiologischen Faktoren anspricht, ist noch nicht realisiert. Zu den unerforschten oder wenig erforschten, aber potenziell nützlichen Zielen für die Modellierung gehören die Pathologie der grauen Substanz, die wässrigen Schichten der Myelinscheide, der Energiestoffwechsel und vielleicht am wichtigsten die Multiskalen- oder integrierte Modellierung. Man sollte erkennen, dass die notwendigen Werkzeuge in anderen Studienbereichen vorhanden sind und daher leicht auf die Untersuchung von Demyelinisierungskrankheiten angewendet werden können.
-=== Conclusions ===
+=== Schlussfolgerungen ===
-The normal physiological function of the CNS or PNS relies on a highly regulated interplay of neurons, glia, vasculature and immune cells. This process encompasses and integrates numerous cellular and signaling components that produce a dynamical, computational whole. When any part goes awry, the entire system is forced to compensate. Even when compensation manages to rescue the most obvious consequences of demyelination, certain processes may not return to a completely normal state, which can lead to problems on longer time scales. The resulting symptoms are a confusing mixture of direct and compensatory changes that continuously evolve. The overall complexity has proven to be intractable to efficient experimental dissection. The application of computational modeling techniques represents an invaluable approach to help break the impasse and engender a new era of understanding and discovery.
+Die normale physiologische Funktion des ZNS oder PNS beruht auf einem stark regulierten Zusammenspiel von Neuronen, Glia, Gefäßsystem und Immunzellen. Dieser Prozess umfasst und integriert zahlreiche Zell- und Signalkomponenten, die ein dynamisches, rechnerisches Ganzes erzeugen. Wenn ein Teil schief geht, muss das gesamte System kompensieren. Selbst wenn es der Kompensation gelingt, die offensichtlichsten Folgen der Demyelinisierung zu retten, kehren bestimmte Prozesse möglicherweise nicht in einen völlig normalen Zustand zurück, was über längere Zeiträume zu Problemen führen kann. Die daraus resultierenden Symptome sind eine verwirrende Mischung aus direkten und kompensatorischen Veränderungen, die sich kontinuierlich weiterentwickeln. Die Gesamtkomplexität hat sich als unlösbar für eine effiziente experimentelle Dissektion erwiesen. Die Anwendung computergestützter Modellierungstechniken stellt einen unschätzbaren Ansatz dar, um aus der Sackgasse herauszukommen und eine neue Ära des Verständnisses und der Entdeckung einzuleiten.
-== Acknowledgments ==
+== Danksagungen ==
-Support provided by the Canadian Institutes of Health Research New Investigator Award and the Ontario Early Researcher Award (SAP). We thank Heiki Blum for assistance with figure preparation.
+Unterstützung durch den Canadian Institutes of Health Research New Investigator Award und den Ontario Early Researcher Award (SAP). Wir danken Heiki Blum für die Unterstützung bei der Figurenvorbereitung.
-== Author Contributions ==
+== Autorenbeiträge ==
-All authors contributed to the writing of this manuscript. Figures were provided by Sven G. Meuth.
+Alle Autoren haben zum Verfassen dieses Manuskripts beigetragen. Zahlen wurden von Sven G. Meuth zur Verfügung gestellt.
-== Conflicts of Interest ==
+== Interessenskonflikte ==
-The authors declare no conflict of interest.
+Die Autoren geben keinen Interessenkonflikt an.
-== Article information ==
+== Artikelinformationen ==
 Int J Mol Sci. 2015 Sep; 16(9): 21215–21236.
 Published online 2015 Sep 7. doi: 10.3390/ijms160921215
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 Neurosciences and Mental Health, the Hospital for Sick Children, Toronto, ON M5G 1X8, Canada; E-Mail: ac.sdikkcis@ttocserp.evets
 Department of Physiology and the Institute of Biomaterials and Biomedical Engineering, University of Toronto, Toronto, ON M5G 1X8, Canada
-*Author to whom correspondence should be addressed; E-Mail: gro.xniloruen@yaj; Tel.: +1-858-243-6720.
+*Autor, an den die Korrespondenz gerichtet werden soll; E-Mail: gro.xniloruen@yaj; Tel.: +1-858-243-6720.
 Received 2015 May 26; Accepted 2015 Aug 25.
 Copyright © 2015 by the authors; licensee MDPI, Basel, Switzerland.
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 == Bibliography ==