Stimulierende neurale Schaltkreise mit Magnetismus

Quelle: Slimsdizz (Wikimedia Commons)

Hirnstimulation könnte wie eine Frankenstein-Demonstration von einer viktorianischen Wissenschaftsmesse klingen. Aber in Wirklichkeit ist es eine zeitgenössische Technik, die einen großen Einfluss in den Neurowissenschaften hat, indem sie eine lange Tradition traditioneller Methoden zur Untersuchung der Funktion des menschlichen Gehirns angeht. Solche Techniken, wie EEG und fMRI, können nur verwendet werden, um die Auswirkungen eines Reizes oder einer Aufgabe auf die Gehirnaktivität abzuleiten und nicht umgekehrt. Zum Beispiel könnte ein Wissenschaftler EEG verwenden, um die Wirkung einer Aufgabe wie Armbewegung auf die Gehirnaktivität zu untersuchen, aber wie kann man den Effekt der Gehirnaktivität auf die Armbewegung untersuchen?

Heute bieten nichtinvasive Hirnstimulationstechniken wie die transkranielle Magnetstimulation (TMS) Alternativen zu alten Paradigmen. TMS kann das zugrunde liegende Hirngewebe sicher und ethisch anregen oder unterdrücken, so dass Forscher kausale Beziehungen zwischen Schaltkreisen und Verhalten des Gehirns untersuchen können. Darüber hinaus kann TMS einen therapeutischen Wert bei der Behandlung von Hirnerkrankungen wie Depressionen haben.

Quelle: Wikimedia Commons, Nationale Gesundheitsinstitute

So funktioniert das. Eine kreisförmige Drahtspule ist über dem Kopf einer Person befestigt, und der Strom in dem Draht induziert ein Magnetfeld. Da geladene Teilchen in einem Magnetfeld eine Kraft senkrecht zur Richtung des Feldes erfahren, wird die Bewegung von Ionen in den darunter liegenden Hirngeweben durch dieses Feld verändert. Dies unterbricht das Abfeuern von Neuronen im kortikalen Gewebe und simuliert eine "Läsion" des Gehirns. Wenn zum Beispiel die Spule über den Broca-Bereich – eine für die Sprachproduktion notwendige Gehirnregion – aktiviert wird, stottern die Teilnehmer und hören mitten im Satz auf zu sprechen. Der Teilnehmer kann jedoch immer noch ein Lied singen, wenn er dazu aufgefordert wird. Dies zeigt, dass Sprechen und Singen von verschiedenen neuronalen Schaltkreisen abhängen.

Wie der Name vermuten lässt, kann TMS abhängig von der Frequenz der angelegten Impulse auch Gehirngewebe anregen. Über dem motorischen Kortex zum Beispiel kann TMS in bestimmten Muskeln Zuckungen auslösen. Ein besonders kreatives Experiment, das diesen Effekt illustriert, wurde von Forschern der Universität von Washington in Seattle durchgeführt. Rajesh PN Rao und seine Kollegen verwendeten die Ausgabe des EEG einer Person als Eingabe für die TMS-Spule einer anderen Person. Als sich das erste Subjekt vorstellte, seinen rechten Zeigefinger zu beugen, zeichnete das EEG elektrische Aktivität auf, die mit dieser imaginären Bewegung von der Kopfhaut über den motorischen Kortex in Beziehung steht. Die elektrische Ausgabe, die mit EEG aufgezeichnet wurde, wurde dann der TMS-Spule der zweiten Person zugeführt, die über der gleichen Kopfhautregion fixiert war, was bewirkte, dass die zweite Person tatsächlich ihren Finger zuckte!

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Quelle: 2014 Rao et al. (Creative Commons License)

TMS kann im engeren Sinne sogar die Blinden wieder sehen lassen. Bei Personen, die aufgrund von Augenverletzungen den größten Teil ihrer Sehkraft verloren haben, induziert TMS über den visuellen Kortex die visuelle Erfahrung von Formen und Farben, die als Phosphene bezeichnet werden, ähnlich wie die Formen und Farben, die man nach dem Reiben der Augen sehen kann.

Therapeutische Anwendungen von TMS versuchen, die Gehirnaktivität bei einer Vielzahl von Störungen zu korrigieren, die von Depression bis hin zu Zwangsstörungen (OCD) reichen. Studien von TMS für Depression zeigen Linderung von depressiven Symptomen, wenn die Stimulation über eine kortikale Region namens dorsolateralen präfrontalen Kortex angewendet wird. Die Ergebnisse dieser Studien werden normalerweise in Bezug auf einen Scheinzustand gemessen, bei dem eine falsche Stimulation verwendet wird, um sicherzustellen, dass die Ergebnisse nicht auf einen Placebo-Effekt zurückzuführen sind. TMS bietet neue Hoffnung für Depressionspatienten, die auf medikamentöse Behandlungen nicht ansprechen und auch bei der Behandlung anderer Erkrankungen wirksam sein können. Aber wie viele psychiatrische Behandlungen sind die Forscher immer noch nicht sicher, wie und warum TMS Linderung von Symptomen bietet. Angesichts der großen Anzahl von Zellen und Synapsen in dem Bereich des Gehirns, auf den TMS angewendet wird, ist es unmöglich, die Auswirkungen eines einfachen magnetischen Impulses vollständig zu berechnen.

Quelle: Wikimedia Commons, Nationale Gesundheitsinstitute

Während der genaue Mechanismus, mit dem TMS Depression behandelt, unsicher ist, kann es seine therapeutischen Wirkungen durch ähnliche abstrakte Prinzipien wie Elektrokonvulsionstherapie oder ECT ausüben, die schwere Depression behandelt, indem sie einen Anfall induziert. Diese Erfahrung unterscheidet sich von einem epileptischen Anfall, da dem Patienten Betäubungsmittel und Muskelrelaxantien verabreicht werden, nachdem er seine Einwilligung zur Behandlung gegeben hat. Warum ist ein Anfall tatsächlich hilfreich? Carey Bagdassarian, Senior Lecturer für Interdisziplinäre Studien am College von William und Mary, hat spekuliert, dass der von ECT abgegebene Elektroschock das Gehirn aus einem depressiven Zustand "herausdrücken" könnte, ähnlich wie ein starker Schub einen Ball aus einem tiefen Tal stört. In dieser Analogie ist die Landschaft von Tälern der mathematische Raum, der durch relevante Gehirnvariablen wie neuronale Feuerraten überspannt wird. Es ist wichtig zu bedenken, dass diese Spekulation noch formalisiert oder direkt getestet werden muss (was passiert, wenn der "Push" in die falsche Richtung gegeben wird?). Forscher im Vereinigten Königreich haben jedoch herausgefunden, dass die ECT-Behandlung von Depressionen in der Tat die Korrelationen zwischen Mustern metabolischer Aktivität in frontalen Gehirnregionen und dem Rest des Gehirns reduziert. Dies deutet darauf hin, dass ECT frontale Schaltkreise aus einem depressiven Zustand freisetzt, die ihre Aktivitäten einschränken könnten, wie das metaphorische Tal, das von Bagdassarian vorgeschlagen wurde.

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Ob gerechtfertigt oder nicht, der Ruf von ECT in der Öffentlichkeit wurde durch Berichte über Gedächtnisverlust und Missbrauchsvorwürfe beschädigt. TMS kann jedoch eine subtilere, nuanciertere Alternative zum Neustart des Gehirns bieten, vielleicht durch einen ähnlichen Mechanismus. Wie ECT scheinen TMS-Behandlungen für Depression die Korrelationen zwischen metabolischer Aktivität im dorsolateralen präfrontalen Kortex und einer anderen Region des Gehirns, die als subgenuales Cingulum bekannt ist, zu verändern. Im Gegensatz zu ECT löst TMS bei richtiger Verabreichung selten Anfälle aus, und seine Stimulation kann auf bestimmte Regionen der Großhirnrinde gerichtet sein, was TMS zu einem flexibleren und vielseitigeren Werkzeug als ECT macht.

Illustration der Tiefenhirnstimulation

Quelle: Frontiers for Young Minds, Shamir ua 2014 (Creative Commons License)

Neben TMS und ECT entwickelt sich die Hirnstimulation zu einer Familie von Techniken mit unterschiedlichen Stärken und Anwendungen. Die Tiefenhirnstimulation (DBS) implantiert chirurgisch Elektroden, um Hirnstrukturen zu stimulieren, die von der Kopfhaut aus nicht erreicht werden können, wie Thalamus und Basalganglien. Obwohl diese Technik invasiv ist, ist sie sehr vielversprechend für die Behandlung der Parkinson-Krankheit. Auf der anderen Seite ist die transkranielle Gleichstromstimulation oder tDCS eine Technik, die Alarm ausgelöst hat mit zahlreichen Berichten von Do-it-yourself-Stil-Selbsterfahrungen von Werkstattamateuren (ich empfehle das nicht). Die Technik selbst ist relativ einfach und beinhaltet die Anwendung eines schwachen, kontinuierlichen Stromes über den Kopf. Während es eine gewisse Wirksamkeit bei der Behandlung von Depressionen zeigt, deutet eine ernüchternde Demonstration in menschlichen Kadavern Anfang des Jahres darauf hin, dass der tDCS-Strom möglicherweise überhaupt nicht durch das Gehirn fließt, was eine heftige Debatte über seinen wahren Wirkungsmechanismus hervorruft.

Eine Person wählt nicht das Gehirn, mit dem sie geboren wird. Hirnstimulation bietet Hoffnung, dass wir Schaltkreise in erkrankten Gehirnen von Patienten mit ansonsten hartnäckigen Depressionen und ähnlichen Störungen reparieren können. Nicht alle klinischen Studien von TMS werden Erfolg haben, und die Möglichkeiten, die durch zugänglichere Techniken wie tDCS ermöglicht werden, müssen verantwortungsvoll angegangen werden. Aber zweifellos bringt die Hirnstimulation eine neue Ära der Kontrolle des Gehirns in Gang, die bisher unmöglich war.

Verweise

Rao, Rajesh PN, et al. "Eine direkte Gehirn-zu-Gehirn-Schnittstelle beim Menschen." PloS one 9.11 (2014): e111332.

Gothe, Janna, et al. "Veränderungen in der Erregbarkeit des visuellen Kortex bei blinden Probanden, wie durch transkranielle Magnetstimulation gezeigt wurde." Brain 125.3 (2002): 479-490.

Bagdassarin, Carey, E-Mail-Nachricht an den Autor, 28. Oktober 2016.

Perrin, Jennifer S., et al. "Elektrokonvulsive Therapie reduziert frontale kortikale Konnektivität bei schweren depressiven Störungen." Proceedings der National Academy of Sciences 109,14 (2012): 5464-5468.

Fox, Michael D., et al. "Die Wirksamkeit transkranieller Magnetstimulationsziele für Depressionen hängt mit der intrinsischen funktionellen Konnektivität mit dem subgenualen Cingulum zusammen." Biologische Psychiatrie 72.7 (2012): 595-603.

Alonzo, Angelo, et al. "Transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) für Depression: Analyse der Reaktion unter Verwendung einer Drei-Faktoren-Struktur der Montgomery-Åsberg Depression Rating-Skala." Zeitschrift für affektive Störungen 150.1 (2013): 91-95.

Underwood, Emily. "Cadaver Studie Herausforderungen Gehirn Stimulationsmethoden." Science 352.6284 (2016): 397-397.