Ein Schlaganfall, der jährlich etwa 200.000 Menschen in Deutschland betrifft, ist eine der Hauptursachen für motorische Einschränkungen bei Erwachsenen. Fast 40 Prozent der Betroffenen leiden unter chronischen Bewegungseinschränkungen und sind im Alltag auf Unterstützung angewiesen. Insbesondere die Lähmung einer Hand stellt eine erhebliche Belastung dar, da die für die motorische Steuerung zuständigen Hirnareale betroffen sind. Die Forschung konzentriert sich daher auf effektivere Therapien zur Neurorehabilitation, um die Beweglichkeit der gelähmten Hand zu verbessern.
Neuroprothetik: Technologie als Brücke zur Wiederherstellung verlorener Funktionen
In der modernen Neuroprothetik wird untersucht, wie Menschen mit Lähmungen verlorene Funktionen durch technologische Hilfsmittel wiedererlangen können. Patientinnen und Patienten versuchen, die gelähmten Gliedmaßen zu bewegen oder stellen sich dies gedanklich vor und werden bei der Ausführung der Bewegung von intelligenten Orthesen unterstützt. Ziel ist es, dass die Bewegungen nach mehrwöchigem Training auch ohne diese Hilfsmittel möglich sind.
Die Tübinger Studie: Neuroplastische Reorganisation durch intelligente Neuroprothesen
Um zu verstehen, was im Gehirn von Schlaganfallpatienten passiert, wenn sie die Bewegungen mit Neuroprothesen üben, hat das Institut für Neuromodulation und Neurotechnologie am Universitätsklinikum Tübingen eine Studie durchgeführt. Das Team um Prof. Alireza Gharabaghi konnte zeigen, wo und wie andere Hirnareale, die nicht vom Schlaganfall betroffen sind, mit den gelähmten Muskeln in Verbindung treten, um verlorengegangene Bewegungen wieder zu ermöglichen. Die Studienergebnisse wurden im Fachjournal Journal of Neuroscience veröffentlicht.
Im Rahmen einer vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Studie untersuchten die Forschenden den Einsatz intelligenter Neuroprothesen. Dabei werden Hirnimpulse, die bei der versuchten oder vorgestellten Bewegung entstehen, in kürzester Zeit an technologische Hilfsmittel wie Roboterorthesen übertragen, die ein Öffnen der gelähmten Hand ermöglichen. Die Probanden spüren trotz ihrer Lähmung, wie sich ihre Finger tatsächlich bewegen, und nehmen dies nicht nur visuell wahr. Durch diese haptischen Eindrücke entsteht eine Feedbackschleife zwischen Gehirn und gelähmtem Muskel.
Eine frühere Studie der Tübinger Forschenden und Kliniker hatte bereits gezeigt, dass ausgedehnte Regionen in beiden Hirnhälften nach einem schweren Schlaganfall in Verbindung mit der gelähmten Hand stehen. Offenbar versucht das Gehirn nach einem Schlaganfall bereits von sich aus, alle geeigneten neuronalen Ressourcen zu aktivieren, um die Lähmung zu überwinden. Die aktuelle Studie von Prof. Gharabaghi und seinem Team zeigt, dass diese neuroplastische Reorganisation durch das Training mit einer intelligenten Neuroprothese unterstützt werden kann. Dabei synchronisieren sich die Gehirnneuronen dieser zusätzlichen Hirnareale mit den Rückenmarksneuronen, die für die Handöffnung zuständig sind. Je stärker diese Synchronisation im Frequenzband um 20 Hz stattfindet, desto bessere klinische Erfolge konnten anschließend beobachtet werden.
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Die Bedeutung interdisziplinärer Zusammenarbeit und Patientenkontakt
Prof. Gharabaghi betont die Notwendigkeit einer engen Verzahnung unterschiedlicher Disziplinen und den direkten Austausch mit den Betroffenen, um innovative Therapieansätze zu ermöglichen, die den Patienten wirklich helfen. Das Universitätsklinikum und die Universität Tübingen haben daher im Jahr 2020 das Institut für Neuromodulation und Neurotechnologie eingerichtet, um Experten aus der Medizin, den Neurowissenschaften, der Medizintechnik und den Computerwissenschaften unter einem Dach zusammenzuführen. So können sie gemeinsam und integriert in die Krankenversorgung an intelligenten Technologien für bessere Therapien arbeiten.
BCI-FES-Therapie: Gehirnsignalerkennung und elektrische Muskelstimulation
Ein Forschungsteam unter der Leitung von Catherine Sweeney-Reed an der Universitätsklinik für Neurologie der Universität Magdeburg hat gezeigt, dass ein frühzeitiger Einsatz einer speziellen Kombinationstherapie aus Gehirnsignalerkennung und elektrischer Muskelstimulation (BCI-FES-Therapie) die Erholung der Armbeweglichkeit nach einem Schlaganfall deutlich verbessern kann.
Bei dieser Therapie erfasst ein BCI-System Gehirnsignale und übersetzt sie in Befehle, die von einer FES-Vorrichtung ausgeführt werden. Die FES-Vorrichtung sendet elektrische Impulse an die Muskeln der Teilnehmenden, um Bewegungen zu unterstützen und die Erholung zu fördern. Die Stimulation erfolgt zeitgleich mit dem in den Gehirnsignalen detektierten Bewegungsversuch. Elektrophysiologische Messungen lieferten Hinweise darauf, dass die BCI-FES-Therapie die funktionale Verbindung zwischen Hirnaktivität und Muskelbewegung wiederherstellt.
Sweeney-Reed betont, dass ein früher Start mit BCI-FES die motorische Erholung nach einem Schlaganfall signifikant verbessern kann. Es sei jedoch oft herausfordernd, frühzeitig mit dieser Therapie zu beginnen, da Patientinnen und Patienten nach einem Schlaganfall noch viele andere Behandlungen durchlaufen.
Neuroplastizität: Die Fähigkeit des Gehirns zur Selbstheilung
Die Fähigkeit des Gehirns, sich immer wieder neu zu organisieren und das komplexe Netzwerk aus Nervenzellen veränderten Gegebenheiten dynamisch anzupassen, wird als Neuroplastizität bezeichnet. Dieser Prozess ermöglicht es Nervenzellen, sich neu zu organisieren und geschädigte Funktionen zu kompensieren.
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Schon Stunden nach einem Schlaganfall beginnen die überlebenden Nervenzellen, sich anders zu verknüpfen. Sie bilden Fortsätze, Axone genannt, die aussprießen und sich über Synapsen mit anderen Nervenzellen verbinden. Das Gehirn bildet Ersatzkabel Umgehungskreisläufe. Die Reorganisation findet meist in Arealen statt, die entweder ähnliche Aufgaben erfüllen wie der geschädigte Bereich oder in räumlicher Nähe dazu liegen. Bei größeren Läsionen kann das Gehirn aber womöglich auf die andere, noch gesunde Hirnhälfte zurückgreifen.
Faktoren, die die Kompensation beeinflussen
Wie gut eine Funktion von anderen Regionen übernommen werden kann, hängt von verschiedenen Faktoren ab: dem Ausmaß der Verletzung, dem Ort des Geschehens und dem zeitlichen Verlauf von Schädigung und Reha. Kleine Schäden könne das Gehirn vor allem dann kompensieren, wenn sie langsam auftreten.
Christian Grefkes-Hermann, Direktor der Klinik für Neurologie am Universitätsklinikum Frankfurt, hält die Neuorganisation von Nervenzellen für die wichtigste Reparaturstrategie des Gehirns. Er betont, dass die adulte Neurogenese viel zu gering ist, um den Verlust von Millionen Nervenzellen nach einem Schlaganfall ausgleichen zu können.
Unterstützung der Heilung durch Magnetstimulation und intelligente Orthesen
Um die Reparatur des Gehirns nach einem Schlaganfall zu unterstützen, setzen Neurologen auf die Stimulation mit Magnetfeldern (transkranielle Magnetstimulation, TMS). Das magnetische Feld einer Magnetspule bewirkt im Nervensystem einen Stromfluss, wodurch sich ausgewählte Areale aktivieren oder hemmen lassen. Dies kann die Hirnregeneration in die richtigen Bahnen lenken.
Die Tübinger Forschenden versuchen, die Neuroplastizität mit intelligenten Orthesen zu unterstützen. Ausgelöst durch die versuchte oder nur vorgestellte Bewegung werden Hirnimpulse an die Orthese übertragen, die dann die gelähmten Finger öffnet. Durch die passive Bewegung entsteht eine Feedback-Schleife zurück zum Gehirn, die diesem hilft, sich neu zu organisieren und die Koordination der Hand wieder selbst zu lernen.
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Closed-Loop-Methode der TMS in Tübingen
Eine Forschungsgruppe um Ulf Ziemann vom Hertie-Institut für klinische Hirnforschung und dem Universitätsklinikum Tübingen untersucht den Nutzen der TMS für die Motorik nach einem Schlaganfall. Bei ihrem Ansatz wird die Stimulation auf den Hirnzustand der Patienten abgestimmt. Ein Elektroenzephalogramm (EEG) analysiert den momentanen Erregungszustand des Gehirns und ermöglicht so, die Magnetimpulse zum optimalen Zeitpunkt zu setzen (Closed-Loop-Methode). Mit dieser Methode konnten bereits Hand- oder Armlähmungen einzelner Schlaganfallpatienten erfolgreich behandelt werden. Die Untersuchung startet im Herbst unter Tübinger Leitung an sechs deutschen Universitätsklinika.
Hyperbare Oxygenierung (HBO): Aktivierung schlafender Nervenzellen
Eine randomisierte, prospektive Studie der Universität Tel Aviv hat gezeigt, dass sich unter dem Einfluss hyperbarer Oxygenierung (HBO) „schlafende“ Nervenzellen nach einem Schlaganfall wieder aktivieren lassen. Die neurologischen Funktionen sowie die Lebensqualität aller Patienten verbesserten sich infolge der HBO-Therapie signifikant. Bei den Teilnehmern der israelischen Studie besserten sich Lähmungen, Taubheitsgefühle und Sprechvermögen und damit die alltägliche Lebensqualität. Efrati begründet den Erfolg der HBO damit, dass das Gehirn für eine Wiedererholung viel mehr Energie brauche als mit der Aufnahme von normobarem Sauerstoff möglich sei. Die HBO erhöht den Sauerstoffgehalt im Blut bei dem hier verwendeten Druck mindestens um das Zehnfache. Auch Patienten jenseits des erwarteten Zeitfensters profitierten von der HBO.
Personalisierte Medizin und die Reha der Zukunft
Jeder Schlaganfall ist anders und nicht alle Schlaganfallpatienten reagieren gleich gut auf Behandlungen. Daher ist die Neurologie in einem Zeitalter der personalisierten Medizin angekommen. Ziel ist es, in Zukunft schon vor der Therapie zu wissen, von welchen Maßnahmen ein Betroffener besonders profitieren wird.
Die Reha der Zukunft könnte so aussehen, dass vor jeder Physiotherapie- oder Logopädieeinheit eine Magnetstimulation steht, um die Patientin oder den Patienten in einen lernfähigen Zustand zu versetzen. Neue Verknüpfungen entstehen aber nur, wenn die verloren gegangenen Fähigkeiten immer wieder geübt werden. Auch Erholungsphasen sind wichtig, denn guter Schlaf verbessert die Neuroplastizität ebenfalls - und damit den Rehabilitationserfolg.
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