Sichtbar gemacht: Plastische Veränderungen im Gehirn

05.09.2014
Grafik: transkranielle Magnetstimulation des Gehirns

Das Prinzip transkranieller Magnetstimulation (TMS). Eine stromdurchflossene Spule (oben links) erzeugt kurzzeitig Magnetfelder, die elektrische Ströme in der Hirnrinde auslösen; © Nick Davis/ Ruhr-Universität Bochum

Tinnitus, Migräne, Epilepsie, Depression, Schizophrenie, Alzheimer. Dies sind Beispiele neurologisch bedingter Erkrankungen, die zunehmend mittels Magnetstimulation des Gehirns behandelt und erforscht werden. Doch über die genauen Wirkmechanismen dieser Methode wusste man bisher nicht viel. Der Arbeitsgruppe um PD Dr. Dirk Jancke vom Institut für Neuroinformatik der RUB ist es nun erstmalig gelungen, neuronale Effekte der Behandlung mit hochaufgelösten Bildern darzustellen.

Die transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist eine schmerzfreie, nicht invasive Stimulationsmethode, bei der ein starkes Magnetfeld durch eine über dem Kopf platzierte Spule erzeugt wird. So werden Gehirnregionen gezielt aktiviert oder gehemmt. Trotz zunehmender medizinischer Anwendungen sind die genauen neuronalen Wirkmechanismen der TMS bislang nur wenig verstanden. Dies liegt einerseits daran, dass beim Menschen eingesetzte bildgebende Verfahren, wie fMRT (funktionelle Kernspintomografie), nicht die notwendige zeitliche Auflösung haben, um Aktivitäten von Nervenzellen in Millisekunden zu erfassen. Schnellere Messverfahren, wie EEG oder MEG, werden hingegen durch das induzierte Magnetfeld beeinflusst, sodass starke Störsignale kurzzeitig nach einem Magnetpuls wesentliche Informationen über Aktivitätsänderungen im Gehirn verbergen.

Hochaufgelöste Bilder der Wirkung von TMS sind nun erstmalig Forschern der RUB im tierexperimentellen Ansatz gelungen. Die Arbeitsgruppe um PD Dr. Dirk Jancke, Institut für Neuroinformatik, nutzt dazu spannungsabhängige Farbstoffe, die in Zellmembranen verankert fluoreszente Lichtsignale aussenden, sobald Nervenzellen aktiviert oder gehemmt werden. Die Verwendung von Licht vermeidet das Problem von Messartefakten aufgrund der auftretenden Magnetfelder. „Wir konnten nun in Echtzeit zeigen, wie ein einzelner TMS-Puls Gehirnaktivität über einen größeren Bereich unterdrückt, höchstwahrscheinlich durch massive Aktivierung hemmender Gehirnzellen“, so Jancke. Bei höheren TMS Frequenzen erzeugt jeder weitere TMS-Puls eine schrittweise Erhöhung der Gehirnaktivität. „Der daraus resultierende erhöhte Aktivitätszustand öffnet ein Zeitfenster für plastische Veränderungen“, erläutert Dr. Vladislav Kozyrev, Erstautor der Studie.

Die erhöhte Erregbarkeit von Nervenzellen kann genutzt werden, um eine Reorganisation von Zellkontakten durch gezielte Lernprozesse zu bewirken. Etwa wird durch visuelles Training nach TMS die Unterscheidungsfähigkeit von Bildkonturen verbessert, und bei Patienten mit Amblyopie - einer erworbenen Sehschwäche - die Kontrastwahrnehmung erhöht.

Für viele neurologische Erkrankungen des Gehirns wie beispielsweise Epilepsie, Depression und Schlaganfall sind spezifische Modelle entwickelt worden. „Mittels unserer Technik erhalten wir raumzeitlich hochaufgelöste Daten von kortikalen Aktivitätsveränderungen im Tierexperiment“, so Dirk Jancke. „Diese Daten, so hoffen wir, erlauben gezielte Verbesserungen von TMS-Parametern und Lernvorgängen, die zur Übertragung auf die medizinische Behandlung des Menschen genutzt werden können.“

COMPAMED.de; Quelle: Ruhr-Universität Bochum