Seit Jahrtausenden ist es das Ziel von Medizinern, die Gehirnfunktion auf nicht-invasive Weise zu beeinflussen, um Funktionen zu verbessern und Krankheitssymptome zu behandeln. Bereits in den 1950er-Jahren begann die Erforschung technologiebasierter Hirnstimulation. In diesem Artikel werden verschiedene Aspekte der Elektroenzephalographie (EEG) und der nicht-invasiven Hirnstimulation beleuchtet, einschliesslich ihrer Anwendungen in der Diagnostik und Therapie neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen.
Elektroenzephalographie (EEG): Messung der Hirnaktivität
Die Elektroenzephalographie (EEG) ist eine Methode zur Messung der elektrischen Aktivität des Gehirns. Dabei werden Elektroden auf der Kopfhaut platziert, um die Spannungsschwankungen aufzuzeichnen, die durch die Aktivität von Nervenzellen entstehen.
Grundlagen des EEGs
Beim EEG werden Hirnströme als Maßeinheit für die elektrische Aktivität des Gehirns bestimmt. Diese Aktivität entsteht durch die Signalübertragung der Nervenzellen und ist abhängig von verschiedenen Faktoren wie Wachzustand, Schlaf, Alter und der Hirnregion, in der sie entsteht.
Durchführung einer EEG-Untersuchung
Eine EEG-Untersuchung dauert etwa eine Stunde und ist schmerzfrei. Der Patient sitzt entspannt auf einem Stuhl, während Elektroden nach einem festgelegten Schema auf dem Kopf platziert werden. Um epilepsietypische Veränderungen darzustellen, können zusätzliche Provokationsmethoden angewendet werden. Während der Messung stellen sich die Spannungsunterschiede zwischen den einzelnen Elektroden auf einem Monitor wellenförmig dar und können ausgewertet werden.
Interpretation von EEG-Mustern
Die gemessenen Hirnströme werden je nach Frequenz in verschiedene Rhythmen eingeteilt:
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- Alpha-Rhythmus: Typisch für einen wachen, entspannten Zustand, vor allem in den hinteren Hirnregionen.
- Beta-Rhythmus: Schneller als der Alpha-Rhythmus, kann durch Medikamente, fehlende Entspannung oder als Normvariante auftreten.
- Theta-Wellen: Langsamer als Alpha-Wellen, normal bei Kindern und Jugendlichen.
- Delta- und Subdelta-Wellen: Sehr langsam, kennzeichnen den Tiefschlaf. Im wachen Zustand können sie auf krankhafte Veränderungen hinweisen.
Bei Epilepsie liefert das EEG eindeutige Aussagen zu Anfallstypen und Krankheitsverlauf, auch in anfallsfreien Phasen. Typische Muster sind Spitzen-Wellen oder steile, scharfe Wellen anstelle der regulären Alpha-Wellen.
Anwendungsbereiche des EEGs
Das EEG wird in verschiedenen Bereichen eingesetzt:
- Diagnostik von Epilepsie und Verdacht auf Krampfanfälle
- Begleitende Bewertung der Epilepsietherapie
- Schlafdiagnostik
- Erste Hinweise auf lokale Veränderungen im Gehirn
Obwohl das EEG ein einfaches und nützliches Instrument ist, schließt ein unauffälliges EEG bestimmte Erkrankungen wie Epilepsie oder Gehirnentzündungen nicht aus. Lokalisierte Veränderungen werden heutzutage eher mit modernen bildgebenden Verfahren diagnostiziert.
Risiken und Komplikationen
EEG-Untersuchungen sind ungefährlich und schmerzfrei. Es gelangt keine elektrische Spannung in den Körper; die Elektroden dienen lediglich dazu, Spannung aus dem Körper weiterzuleiten. Starke Schweissbildung oder Muskelzuckungen können den EEG-Befund beeinträchtigen.
Magnetresonanztomographie (MRT): Detaillierte Bildgebung des Gehirns
Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist eine wichtige und aussagekräftige Bildgebungstechnik, die in der Diagnostik vielfältig eingesetzt wird. Im Gegensatz zur Computertomographie (CT) verwendet die MRT keine ionisierende Strahlung, sondern magnetische und elektromagnetische Felder.
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Funktionsweise der MRT
Klinisch einsetzbare MRT-Geräte stehen seit den 1980er-Jahren zur Verfügung. Die MRT hat sich dank rasanter technologischer Entwicklung als unverzichtbarer Bestandteil der bildgebenden Diagnostik etabliert. Vorteile der MRT sind die Vermeidung ionisierender Strahlung und der hohe Weichteilkontrast der Bilder. Der Gewebekontrast kann durch die Wahl der Messparameter variiert werden.
Anwendungsbereiche der MRT
Die MRT wird routinemässig in verschiedenen medizinischen Fachgebieten eingesetzt, insbesondere zur Diagnostik von:
- Onkologischen Erkrankungen
- Entzündlichen Erkrankungen
- Degenerativen Erkrankungen
- Störungen der Blutversorgung (Infarktdiagnostik)
Sicherheitsaspekte der MRT
Bei Einhaltung aktueller Sicherheitsempfehlungen sind MRT-Untersuchungen für Patienten nicht mit gesundheitlichen Risiken verbunden. Es ist wichtig, Patienten und Begleitpersonen sorgfältig aufzuklären, um Gefahren zu minimieren.
Biophysikalische Wirkungen
Die wesentliche biophysikalische Wirkung elektromagnetischer Hochfrequenz-Felder ist die Erwärmung des Gewebes durch induzierte elektrische Gewebeströme. Die im Körper absorbierte Energie wird als spezifische Absorptionsrate (SAR) bezeichnet. Die Temperaturerhöhung im Gewebe hängt von der lokalen Leistungsabsorption, der Expositionsdauer, der Wärmeleitung und der Gewebedurchblutung ab.
Magnetostimulation
Durch schnell geschaltete magnetische Gradientenfelder kann es zu einer Stimulation peripherer Muskeln und Nerven sowie zur Stimulation des Herzmuskels kommen. Um dies zu vermeiden, wurden Feldbegrenzungen festgelegt, die bei Patientenuntersuchungen eingehalten werden müssen.
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Besondere Patientengruppen
Bei Säuglingen, Kleinkindern, Patienten mit eingeschränkter Thermoregulation, Durchblutungsstörungen, Herzrhythmusstörungen, schlechtem Allgemeinzustand oder bekanntem Epilepsieleiden ist eine strenge Indikationsstellung und besondere Überwachung erforderlich.
Implantate und metallische Einschlüsse
MRT-Untersuchungen von Patienten mit Implantaten oder metallischen Einschlüssen sind mit einem Gefährdungspotential verbunden. Vor der Untersuchung muss abgeklärt werden, ob die Implantate ferromagnetisch sind. Bei metallischen Einschlüssen sollte die MRT vermieden werden, insbesondere wenn kritische Gewebe- oder Organstrukturen gefährdet sind. Eine Untersuchung von Patienten mit aktiven Implantaten ist kontraindiziert.
MRT während der Schwangerschaft
MRT-Untersuchungen sollen während der Schwangerschaft nur nach expliziter Abwägung des Nutzen-Risiko-Verhältnisses durchgeführt werden, mit der geringstmöglichen Feldstärke und Expositionsdauer.
Tiefe Hirnstimulation (DBS): Invasive Neurostimulation
Bei der Tiefen Hirnstimulation (DBS) werden dünne Elektroden in (zumeist) beide Gehirnhälften implantiert, die mit einem Impulsgeber im Schulterbereich oder Oberbauch verbunden sind. An die Elektroden wird eine hochfrequente gepulste Spannung angelegt, um die Zielregion im Gehirn zu deaktivieren oder zu stimulieren.
Anwendung der DBS
Die DBS ist eine klinische Standardtherapie für fortgeschrittene Stadien des Morbus Parkinson und des essenziellen Tremors. Sie führt zu einer erheblichen Besserung der Symptome, insbesondere von Tremor und Rigor. Derzeit wird die DBS auch für andere Indikationen wie Zwangsstörung, Tourette-Syndrom, Epilepsie, Depression, chronische Schmerzsyndrome, Suchterkrankungen und Essstörungen klinisch getestet.
Vorteile der DBS
Die DBS zeichnet sich durch ihre Reversibilität und die nachträgliche Adaptierbarkeit der Stimulationsparameter aus.
Herausforderungen bei der DBS
Im Zuge der Untersuchung neuer Indikationen ergeben sich grundlegende Probleme, insbesondere bei der Definition eines geeigneten Stimulationsortes und einer validen Methode zur Überprüfung des Stimulationserfolges.
Rolle der molekularen und funktionellen Bildgebung
Verfahren der molekularen und funktionellen Bildgebung wie die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) können bei der Lösung dieser Probleme eine wichtige Rolle spielen. Mittels PET können metabolische Veränderungen des Hirngewebes unmittelbar um den aktiven Kontakt sowie in entfernten Hirngebieten abgebildet werden.
Klinische Prüfung der DBS bei Alzheimer-Krankheit
In einer klinischen Prüfung wurde die DBS bei Patienten mit Alzheimer-Krankheit angewendet. Die Elektroden wurden beidseits in den Nucleus basalis Meynert implantiert, um die Freisetzung von Acetylcholin im Grosshirn zu erhöhen und den Gehirnstoffwechsel zu verbessern. Die Patienten zeigten teils stabile, teils verbesserte Parameter nach zwölf Monaten Therapiebeginn.
Nicht-invasive Hirnstimulation (NIBS): Alternative Therapieansätze
Mithilfe elektrischer und magnetischer Reize erhoffen sich Forscher neue Therapieansätze gegen eine Reihe psychiatrischer und neurologischer Erkrankungen. Nicht-invasive Hirnstimulation (NIBS) bietet neue nicht-pharmakologische Behandlungsmöglichkeiten, wo traditionelle Therapien an ihre Grenzen stoßen.
Grundlagen der NIBS
Nervenzellen kommunizieren über elektrische Prozesse, die durch elektrische oder magnetische Impulse beeinflusst werden können. NIBS nutzt diese Eigenschaft, um bestimmte Gehirnbereiche zu aktivieren oder zu hemmen. NIBS wird bei gesunden Menschen angewendet, ist aber vor allem für Erkrankungen erforscht, bei denen bestimmte Hirnbereiche eingeschränkt sind.
Methoden der NIBS
Die am häufigsten angewandten Verfahren sind die transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) und die transkranielle Magnetstimulation (TMS). Neue abgewandelte Verfahren werden noch untersucht.
Wirkmechanismus der NIBS
Elektrische und magnetische Stimulation beeinflussen die Signalverarbeitung der Nervenzelle, wodurch das Membranpotenzial und die Erregungsleitung verändert werden. Die Stimulation kann die Aktivität, Konnektivität und Empfindlichkeit von Nervenzellen steigern oder hemmen.
Transkranielle Magnetstimulation (TMS)
Die TMS beruht auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion. Eine Magnetspule erzeugt ein magnetisches Feld, das die Schädeldecke passieren und in Hirnarealen ein elektrisches Feld erzeugen kann. Es gibt verschiedene Arten der TMS, darunter Single Pulse TMS (sp-TMS) und repetitive TMS (rTMS). TMS wird generell als sicher und ohne schwerere Nebenwirkungen angesehen, sofern die Empfehlungen zu Intensität, Dauer, Frequenz und Zeitraum zwischen den Stimulationen eingehalten werden.
Transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS)
Bei der tDCS wirkt ein schwacher elektrischer Strom durch den Schädelknochen auf das Gehirn. Ein geringer Gleichstrom fliesst zwischen zwei Elektroden, Anode und Kathode, die auf der Kopfhaut angebracht werden. Die elektrische Stimulation verändert die Erregbarkeit der Hirnrinde und die Aktivität der Nervenzellen, ohne ein Aktionspotenzial auszulösen. Abhängig von der Position der Anode und Kathode können neuronale Erregbarkeit erhöht oder verringert und verschiedene Gehirnregionen moduliert werden. tDCS ist leicht handhabbar und kostengünstig, was theoretisch den Gebrauch zu Hause erlaubt.
Nicht-invasive tiefe Hirnstimulation
Bisher ist es mit NIBS vor allem möglich, vorwiegend oberflächliche Hirnstrukturen und grössere Flächen zu stimulieren. Eine Studie aus dem Jahr 2017 stellte erstmals ein nicht-invasives Verfahren zur gezielten, tiefen Hirnstimulation bei Mäusen vor. Dabei erzeugen zwei Elektroden zwei elektrische Felder mit unterschiedlicher Frequenz, die in der Überkreuzungszone Neuronen aktivieren.
tDCS in der praktischen Anwendung
In der Literatur finden sich die meisten Daten zur Anwendung von tDCS zur Stimulation des M1, um die kortikale Erregbarkeit und die motorische Funktion des paretischen Arms und der Hand zu verbessern. Zur Anwendung kommen vor allem die anodale, fazilitatorische tDCS des Motorkortex der betroffenen Hemisphäre oder die kathodale, inhibitorische, kontraläsionale tDCS oder die Kombination beider Methoden. Hierfür werden zwei Oberflächen-Elektroden auf dem Schädel angebracht, z. B. üblicherweise eine Elektrode auf M1 als Zielregion und eine Referenzelektrode über der kontraläsionalen supraorbitalen Region. Als Nebeneffekt von tDCS wird von Kribbeln auf der Haut berichtet, selten auch Hautrötungen an der Elektrodenstelle. Ebenso können Kopfschmerzen auftreten. In der Regel finden sich Anwendungs-Stromstärken von 1-2 mA für 20-30 Minuten. Dies hat einen poststimulativen Effekt, der circa für 30-90 Minuten nach der Stimulation anhält und damit ein ideales Zeitfenster für neurorehabilitatives Training bietet.
Es gibt weitere Zielregionen und Behandlungsdomänen wie die der Sprache, des Neglects oder auch Visuseinschränkungen wie Hemianopsien. Dieser Artikel ist auf die motorische Domäne fokussiert, dennoch gelten die diskutierten Grundsätze auch für andere kognitive Domänen. Um besser räumliche Genauigkeit der Stimulation zu erreichen, können heutzutage andere (Multi-)Elektrodenanordnungen genutzt werden und die Verteilung des elektrischen Feldes vorher simuliert und entsprechend die Elektroden platziert werden.
Heterogenität und darauf basierende neue Ansätze
Wie schon oben angesprochen, tDCS (wie auch andere neuromodulatorische Therapien) lässt sich nicht Erfolg versprechend nach dem «One suits all»-Prinzip anwenden. Schlaganfallpatienten sind eine heterogene Gruppe mit einer Vielzahl von Faktoren, die zu dieser Heterogenität beitragen, wie z. B. Läsionsort und -grösse, klinisches Defizit, Zeitpunkt im Verlauf der Erholung, Grad des Defizites und Kombination der Symptome. Das Gehirn arbeitet als Netzwerk, dies macht den Schlaganfall zu einer Netzwerkerkrankung. Lange wurde dieser Netzwerkaspekt nicht oder wenig berücksichtigt und damit wurden vereinfachte Modelle zum Schlaganfall und der Erholung davon in Betracht gezogen. Die ersten Ansätze für die Anwendung von Hirnstimulation bei Schlaganfall basierten auf einem sehr vereinfachten Modell der interhemisphärischen Balance zwischen dem Motorkortex der geschädigten und der gesunden Hemisphäre, welche bei Patienten gestört sein kann und zu einem störenden/ hemmenden Einfluss des gesunden Motorkortex auf den geschädigten Motorkortex führen kann. Dieses stark vereinfachte Modell der interhemisphärischen Dysbalance wurde für die Planung der Hirnstimulation von Schlaganfallpatienten verwendet (z. B. Hemmung des gesunden Motorkortex mittels kathodaler tDCS). Nach diesem Prinzip wurde dann Hirnstimulation bei Schlaganfallpatienten angewendet, obwohl diese Form der interhemisphärischen Dysbalance nur auf einen kleinen Teil von Schlaganfallpatienten zutrifft, Patienten in der chronischen Phase mit kleinen subkortikalen Läsionen und nicht so ausgeprägtem Defizit. Daher benötigen wir ein komplexeres Verständnis des Schlaganfalles als interregionale, interhemisphärische Netzwerkerkrankung.
Die Läsion durch einen Schlaganfall beeinträchtigt das Netzwerk und abhängig davon, wo das Netzwerk beeinträchtigt wurde, ergeben sich ganz unterschiedliche klinische Ausprägungen und unterschiedliche Möglichkeiten der Reorganisation, welche die Basis der Erholung ist. Moderne Netzwerkanalysen des Schlaganfalls, basierend auf struktureller Bildgebung, erlauben jetzt Muster der Erholung vorauszusagen und können somit als Biomarker für personalisierte Therapiestrategien, wie z. B. Hirnstimulation, dienen. Diese Vorgehensweise wird aktuell in unterschiedlichen Studien zur Hirnstimulation beim Schlaganfall untersucht. Ein weiterer Faktor, relevant für die Behandlungsauswahl, ist, dass bei ungefähr zwei Dritteln der Patienten eine ausgeprägte natürliche Erholung proportional zum Defizit vorliegt und bei circa einem Drittel diese natürliche Erholung nicht besteht.
Zukunft Präzisionsmedizin
In der klassischen Montage werden eine anodale und eine kathodale Elektrode verwendet. Aufgrund der Grösse der Elektroden lässt dies nur eine wenig fokale Stimulation zu. Neue Ansätze beinhalten andere Formen der Applikation z. B. durch HD-tDCS («high definition» tDCS), bei der mehrere kleine Elektroden oder eine Ringelektrode appliziert werden, welche eine sehr viel fokalere Applikation des Stromes zulässt. Da die kortikale Morphologie Stromfluss und -dichte im Zielgebiet beeinflusst, ist es zunehmend wichtig, vor allem bei Patienten mit Hirnläsionen, dies bei der Intervention in Betracht zu ziehen.
Relevant wird dies durch den Einfluss einer Läsion, Hirngewebsrestitution und -reorganisation sowie Narbenentwicklung. Individuelle Unterschiede sind hier vorprogrammiert. Um diese Faktoren genauso wie sämtliche Parameter der tDCS individuell miteinbeziehen zu können, werden Modellierungen/Simulationen vorgenommen, die auf den anatomischen Gegebenheiten des individuellen Gehirns basieren. Es wird zunehmend klar, dass es unterschiedliche Reorganisationsmuster bei unterschiedlichen Schlaganfallpatienten gibt. Das heisst, unterschiedliche Hirnregionen (z. B. primärer Motorkortex vs. Prämotorkortex) haben unterschiedliche funktionelle Bedeutungen für den Erholungsprozess, abhängig von Läsionsort, -grösse oder Zeit nach dem Schlaganfall. Idealerweise sollten die Hirnstimulations-basierten Therapiekonzepte daran angepasst werden und die jeweils relevanten Hirnareale stimuliert werden.
Erste Ansätze, basierend auf struktureller Bildgebung (Traktografie), werden aktuell untersucht. Beispielsweise hängt die funktionelle Bedeutung der Verbindung zwischen ventralem prämotorischem Kortex (PMv) und primärmotorischen Kortex (M1) vom Grad der Schädigung des CST ab und entsprechend der Effekt von tDCS. Vereinfacht zusammengefasst: ist der CST stark beschädigt, ist kein Effekt von tDCS zu M1 zu erwarten, aber ein Effekt von tDCS zu PMv.
Ist die CST-Schädigung gering, kann ein ausgeprägter Therapieeffekt von tDCS zu M1 erwartet werden. Dies beschreibt erste vielversprechende Schritte in Richtung präzisionsbasierter Therapie mittels Hirnstimulation, um maximale, homogenere Effekte für jeden einzelnen Patienten zu erzielen.
Fazit
Die Elektroenzephalographie, die Magnetresonanztomographie und verschiedene Hirnstimulationstechniken bieten vielfältige Möglichkeiten zur Untersuchung und Behandlung neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen. Während invasive Verfahren wie die tiefe Hirnstimulation bereits erfolgreich eingesetzt werden, eröffnen nicht-invasive Methoden wie tDCS und TMS vielversprechende Perspektiven für die Zukunft. Die Forschung konzentriert sich zunehmend auf personalisierte Therapieansätze, um die Effektivität und Homogenität der Behandlungsergebnisse zu verbessern.
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