Die Erregbarkeit von Nervenzellen ist ein grundlegendes Konzept in der Neurobiologie und spielt eine entscheidende Rolle bei der Signalübertragung im Nervensystem. Eine gesteigerte Erregbarkeit kann in verschiedenen Kontexten von Bedeutung sein, sei es zur Behandlung neurologischer Erkrankungen oder zur Verbesserung kognitiver Funktionen. Dieser Artikel beleuchtet verschiedene Methoden zur Steigerung der Erregbarkeit von Nervenzellen, von nicht-invasiven Hirnstimulationstechniken bis hin zu pharmakologischen Ansätzen.
Nicht-invasive Hirnstimulationstechniken
Nicht-invasive Hirnstimulation (NIBS) bietet neue, nicht-pharmakologische Behandlungsmöglichkeiten, insbesondere wenn traditionelle Therapien an ihre Grenzen stoßen oder das Risiko einer direkten Elektrodenplatzierung im Gehirn, wie bei der Tiefenhirnstimulation, zu hoch ist. Da Nervenzellen über elektrische Prozesse kommunizieren, können diese durch elektrische oder magnetische Impulse beeinflusst werden. NIBS nutzt diese Eigenschaft, um je nach Position, Stimulationsstärke und Dauer 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. Die zugrunde liegenden Mechanismen und die Wirksamkeit der Hirnstimulation werden intensiv erforscht, um eine gezieltere Stimulation zu ermöglichen.
Transkranielle Magnetstimulation (TMS)
Die transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist eine nicht-invasive Methode, die auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion basiert. Dabei wird eine Magnetspule auf die Kopfhaut gehalten, die ein schnell wechselndes Magnetfeld erzeugt. Dieses Feld kann die Schädeldecke durchdringen und in den darunterliegenden Hirnarealen ein elektrisches Feld induzieren. Das erzeugte Feld hat eine magnetische Flussdichte von bis zu 3 Tesla.
Es gibt verschiedene Arten der TMS-Stimulation:
- Single Pulse TMS (sp-TMS): Ein einzelner magnetischer Impuls erzeugt ein neuronales Aktionspotenzial. Dieser Mechanismus erklärt, wie sp-TMS über motorischen Hirnregionen zu einer Muskelkontraktion führen kann.
- Repetitive TMS (rTMS): Eine Salve von Impulsen auf ein Hirngebiet induziert langfristigere Effekte. Hierbei wird zwischen "low-frequency" TMS (1 Impuls pro Sekunde) und "high-frequency" TMS (10 Impulse pro Sekunde) unterschieden. "Low-frequency" TMS macht ein Hirnareal weniger empfänglich für Reize (long term depression), während "high-frequency" TMS die Empfänglichkeit erhöht (long term potentiation).
TMS gilt generell als sicher und ohne schwerere Nebenwirkungen, sofern bei Behandlungen die Empfehlungen zu Intensität, Dauer, Frequenz und Zeitraum zwischen den Stimulationen eingehalten werden. In seltenen Fällen kann die Stimulation epileptische Anfälle hervorrufen.
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Transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS)
Die transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) ist eine weitere nicht-invasive Methode, bei der ein schwacher elektrischer Strom durch den Schädelknochen (transkraniell) auf das Gehirn wirkt. Ein geringer Gleichstrom fließt zwischen zwei Elektroden, Anode und Kathode, die auf der Kopfhaut angebracht werden. Die Größe der stimulierten Hirnareale hängt von der Größe der Elektroden ab.
Die Platzierung der Elektroden erfolgt in der Regel so, dass eine Elektrode über dem zu stimulierenden Bereich am Kopf und die andere, die Referenzelektrode, meist an gegenüberliegender Stelle, häufig an Hals oder Schulter, platziert wird. Die Lokalisierung des zu stimulierenden Gebiets erfolgt häufig vorher mit bildgebenden Verfahren, wie funktionelle Magnetresonanztomographie (MRT) oder Positronen-Emissions-Tomographie (PET).
Die tDCS hat den Vorteil, dass sie leicht zu handhaben und kostengünstig ist, was theoretisch den Gebrauch zu Hause erlaubt. Allerdings ist der häusliche Gebrauch schwierig zu regulieren und zu kontrollieren, und es bestehen gesundheitliche, ethische und rechtliche Probleme bei möglichem Missbrauch und zu häufigem Gebrauch.
Wirkmechanismus:
Die elektrische Stimulation verändert die Erregbarkeit der Hirnrinde und die Aktivität der Nervenzellen. Dabei wird kein Aktionspotenzial ausgelöst; die Stimulation beeinflusst ausschließlich das Ruhepotenzial. Die spontane Erregbarkeit von Nervenzellen kann erhöht oder abgeschwächt werden.
Abhängig von der Position der Anode und Kathode können neuronale Erregbarkeit erhöht oder verringert und verschiedene Gehirnregionen moduliert werden.
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- Anodale tDCS: Auch exzitatorische Stimulation genannt, wirkt generell stimulierend auf Hirnareale. Elektrischer Strom strömt von Elektrode über gewünschtem Areal hinweg, erhöht Erregbarkeit der Hirnrinde und damit das Ruhepotenzial von Nervenzellen.
- Kathodale tDCS: Auch inhibitorische Stimulation genannt, wirkt generell hemmend auf Hirnareale tDCS. Die Erregbarkeit der Neuronen wird verringert. Elektrizität strömt zur Elektrode über gewünschtem Areal hin, hemmt die Erregbarkeit der Hirnrinde und damit auch der Neuronen.
Die Effekte der tDCS hängen von verschiedenen Parametern ab, wie Polarität, Intensität und Dauer der Stimulation. Die Stromrichtung bestimmt die Wirkung, hemmend oder aktivierend. Die Intensität liegt bei geringen Stromstärken von 1 bis 2 Milliampere, was im Vergleich hundertfach geringer ist als bei der herkömmlichen Elektrokonvulsionstherapie (EKT). Die Dauer beträgt etwa 10 und 20 Minuten pro Sitzung; bei Bedarf sind bis zu zwei Anwendungen täglich möglich, abhängig von Intensität und Dauer.
Klinische Anwendung von tDCS
Mit dieser neuen Therapiemethode können chronische Schmerzen, Depressionen, Bewegungsstörungen sowie kognitive Defizite behandelt werden. Die transkranielle Gleichstromstimulation ist eine schmerzfreie und nebenwirkungsarme Behandlungsmethode. Eine Behandlung dauert in Abhängigkeit des Störungsbildes ca. 20-30 Minuten. Allerdings sind mehrere Sitzungen erforderlich um langfristige Erfolge zu erzielen. Neben der Schmerztherapie wird dieses Therapieverfahren auch im Rahmen von Physiotherapie, Ergotherapie, Logopädie und auch Psychotherapie eingesetzt. So ist es auch möglich, in Kombination aus tDCS und Standardtherapie Therapieziele schneller und besser zu erreichen und auch nachhaltige Effekte zu erzielen. Durch den applizierten schwachen Strom wird die Erregbarkeit von Nervenzellen im Gehirn beeinflusst und reguliert; bei mehrmaliger Anwendung verlängert sich dieser Effekt. Mit tDCS kann so, zusätzlich zur stimmungsaufhellenden Wirkung, die Verarbeitung von Aufgaben und Schmerzsignalen im Gehirn verbessert werden. Über zwei auf der Kopfhaut angebrachten Elektroden wird das Gehirn mit schwachem Strom beeinflusst; der Strom erhöht oder verringert die Aktivität bestimmter Gehirnareale, die in ihrer Funktion gestört sind. Für den ersten Behandlungserfolg sind mindestens 10 Behandlungen nötig.
NeuroVR-Plus-Projekt: Kombination aus kognitivem Training und Gehirnstimulation
Ein Kooperationsprojekt unter Beteiligung der Klinik für Neurologie der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) untersucht den Einfluss neuer Behandlungsmethoden auf die Wahrnehmungs- und Denkprozesse älterer Menschen. Ziel ist es, ein Trainingsprogramm zu entwickeln, das eine gezielte Gehirnstimulation mittels elektrischer Ströme und eine neuartige Technologie basierend auf virtueller Realität kombiniert, um die Gedächtnisleistung im Alter zu verbessern. Die Forschungsstudie zur Überprüfung dieses innovativen Verfahrens wird an der UMG durchgeführt. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das dreijährige NeuroVR-Plus-Projekt mit insgesamt 800.000 Euro.
Kognitive Fähigkeiten wie beispielsweise Aufmerksamkeit, Erinnerungsvermögen und Lernfähigkeit nehmen mit zunehmendem Alter ab und führen in vielen Fällen zu Einschränkungen im alltäglichen Leben. Übersteigen diese kognitiven Verluste ein für das jeweilige Alter gesundes Maß, wird eine leichte kognitive Beeinträchtigung (mild cognitive impairment - MCI) diagnostiziert, welche als Vorstufe von Demenz gilt. Aufgrund einer immer älter werdenden Bevölkerung ist ein Anstieg an Demenzdiagnosen zu erwarten.
In einem Kooperationsprojekt untersuchen Prof. Dr. Andrea Antal, Leiterin der Arbeitsgruppe „Non-invasive Brain Stimulation Lab“ (NBSLab) in der Klinik für Neurologie der Universitätsmedizin Göttingen (UMG), und Dr. Lukas Diedrich, wissenschaftlicher Mitarbeiter im NBSLab, zusammen mit der VRalive GmbH in Braunschweig den Einfluss neuer Behandlungsmethoden auf die Wahrnehmungs- und Denkprozesse älterer Menschen. Ziel ist es, ein Trainingsprogramm zu entwickeln, das die Gedächtnisleistung im Alter verbessert. Dazu soll die Methode der transkraniellen elektrischen Stimulation, eine gezielte Gehirnstimulation mittels schwacher elektrischer Ströme, die durch den Schädel (transkraniell) und die Kopfhaut geleitet werden, mit einem kognitiven Training basierend auf virtueller Realität (VR) kombiniert werden. Die Teilnehmenden tragen während der Elektrostimulation eine VR-Brille und absolvieren damit ein kognitives Training. Zusätzlich ermöglicht ein in der VR-Brille integrierter Eyetracker die Messung von Pupillenveränderungen, die Aufschluss über den Grad der kognitiven Beanspruchung geben. Das bedeutet: Sind die Probanden überfordert, wird das Training einfacher, sind sie unterfordert, wird es schwerer. Das NeuroVR-Plus-Projekt wird mit insgesamt 800.000 Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) über einen Zeitraum von drei Jahren gefördert.
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Im Rahmen des Projekts wird eine Studie mit gesunden Proband*innen im Alter von 60 bis 85 Jahren unter Leitung von Prof. Dr. Andrea Antal diese innovative Methodik jetzt auf ihre Wirksamkeit hin überprüfen. „Die Kombination von transkranieller Gehirnstimulation mit einem kognitiven Training am Computer oder mit einem Tablet, hat in unserer vorherigen Studie bereits gute Erfolge erzielt“, sagt Prof. Antal. „Das Training nun in einer virtuellen Realität umzusetzen, bietet die Vorteile, dass die Teilnehmenden ihre kognitiven Leistungen in simulierten Alltagssituationen, wie zum Beispiel beim Blumen gießen im Garten oder beim Auffinden abgelegter Gegenstände in häuslicher Umgebung, trainieren können. Zudem können wir die Intensität des Trainings in Echtzeit an die individuelle kognitive Belastung anpassen, wodurch wir uns eine gesteigerte Wirksamkeit erhoffen“, ergänzt Dr. Lukas Diedrich.
Transkranielle Pulsstimulation (TPS)
Die Transkranielle Pulsstimulation (TPS) ist eine nicht-invasive Hirnstimulationstechnik, die Stoßwellen-Impulse verwendet, um gezielt bestimmte Bereiche des Gehirns zu stimulieren. Diese Methode hat sich in den letzten Jahren als vielversprechender Ansatz zur Behandlung verschiedener neurologischer und psychiatrischer Störungen wie Alzheimer, Demenz, Parkinson und Depressionen erwiesen. Im Gegensatz zu anderen Hirnstimulationstechniken wie der Transkraniellen Magnetstimulation (TMS) oder der Transkraniellen Gleichstromstimulation (tDCS) nutzt TPS fokussierte, niederfrequente Stoßwellen, um präzise und tief im Gehirn liegende Strukturen zu erreichen. Ein Handapplikator wird an der Kopfhaut des Patienten/der Patientin positioniert und sendet fokussierte Impulse in das gewünschte Gehirnareal. Die Behandlung ist schmerzfrei und erfordert keine Sedierung oder Anästhesie. Normalerweise dauert eine Sitzung etwa 30 Minuten, und die Patient:innen können ihre täglichen Aktivitäten unmittelbar nach der Behandlung fortsetzen. Die genauen Wirkmechanismen der TPS sind zwar noch nicht vollständig verstanden, aber es wird angenommen, dass sie durch die Modulation neuronaler Netzwerke und die Verbesserung der neuroplastischen Prozesse wirkt. Studien haben gezeigt, dass die TPS bei der Behandlung von Alzheimer-Patient:innen zu einer Verbesserung kognitiver Funktionen führen kann. In ähnlicher Weise hat sich TPS als vielversprechend bei der Behandlung von Parkinson und anderen Bewegungsstörungen erwiesen, indem sie die motorische Kontrolle verbessert. Darüber hinaus gibt es wachsende Hinweise darauf, dass TPS bei Stimmungs- und Angststörungen wie Depressionen und generalisierter Angststörung wirksam sein kann.
Transkranielle Wechselstromstimulation (tACS)
Die transkranielle Wechselstromstimulation (tACS) ist eine nicht-invasive Gehirnstimulationsmethode, bei der schwache Wechselströme durch Elektroden auf der Kopfhaut appliziert werden. Diese Ströme sind in der Lage, die natürlichen elektrischen Oszillationen des Gehirns zu beeinflussen. tACS wird in der klinischen Forschung und Therapie zur Behandlung von neuropsychiatrischen Störungen, wie Depressionen, Schizophrenie und Epilepsie, sowie zur Verbesserung kognitiver Fähigkeiten, wie Lernen, Gedächtnis und Aufmerksamkeit, untersucht. Im Gegensatz zur transkraniellen Gleichstromstimulation (tDCS) erlaubt die tACS eine präzisere Kontrolle der neuronalen Aktivität durch die Anpassung der Stimulationsfrequenz.
Fokussierte Ultraschallstimulation (FUS)
Die fokussierte Ultraschallstimulation (FUS) ist eine nicht-invasive Methode zur Stimulation oder Modulation von Gehirnstrukturen. Dabei werden hochfrequente Schallwellen präzise auf bestimmte Regionen im Gehirn fokussiert. Die Ultraschallenergie wird in Wärme umgewandelt, wodurch die Aktivität der Neuronen beeinflusst werden kann. FUS wird zur Behandlung verschiedener neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen erforscht, wie z. B. Parkinson-Krankheit, Essenzieller Tremor, Epilepsie und Depressionen. FUS hat den Vorteil, dass es ohne direkten Kontakt mit dem Gehirn oder der Notwendigkeit von Implantaten arbeitet. Die Methode bietet eine hohe räumliche Präzision und kann auch zur Stimulation von tiefen Gehirnstrukturen eingesetzt werden.
Magnetkrampftherapie (MST)
Die Magnetkrampftherapie (MST) ist eine neuere, weniger invasive Alternative zur Elektrokonvulsionstherapie (EKT) zur Behandlung schwerer psychiatrischer Erkrankungen, insbesondere therapieresistenter Depressionen. MST verwendet magnetische Felder anstelle von elektrischem Strom, um im Gehirn eine kontrollierte Krampfaktivität auszulösen, die therapeutische Effekte hervorruft. Bei der MST wird eine spezielle Spule, die ein schnell wechselndes Magnetfeld erzeugt, auf der Kopfhaut des Patienten positioniert. Ein Hauptvorteil der MST im Vergleich zur EKT ist, dass sie in der Regel weniger kognitive Nebenwirkungen verursacht, wie Gedächtnisstörungen oder Verwirrtheit. Dies liegt daran, dass MST präziser auf bestimmte Gehirnregionen abzielt und die Stimulation stärker kontrolliert ist als bei der EKT.
Epidurale kortikale Stimulation (ECS)
Die epidurale kortikale Stimulation (ECS) ist ein Verfahren, bei dem elektrische Impulse gezielt an die Oberfläche des Gehirns (Kortex) abgegeben werden, um die neuronale Aktivität zu modulieren. Dies geschieht durch die Platzierung von Elektroden auf der Dura mater, der äußeren Schicht der Hirnhäute, die das Gehirn umgeben. ECS wird hauptsächlich in der Forschung und bei experimentellen Therapieansätzen für verschiedene neurologische und psychiatrische Erkrankungen eingesetzt, wie zum Beispiel bei Epilepsie, Schlaganfall, Parkinson-Krankheit und schweren Depressionen. Da ECS eine invasive Methode ist, wird sie normalerweise nur bei Patienten in Betracht gezogen, die auf weniger invasive Verfahren oder Medikamente nicht ansprechen. ECS ermöglicht eine gezielte und anpassbare Stimulation von bestimmten Gehirnarealen, wodurch die Symptome der Erkrankung reduziert und die Lebensqualität der Patienten verbessert werden können. Die Stimulationseinstellungen können individuell angepasst werden, um eine optimale therapeutische Wirkung zu erzielen, während mögliche Nebenwirkungen minimiert werden.
Invasive Verfahren
Tiefe Hirnstimulation (THS)
Die tiefe Hirnstimulation (THS), im anglo-amerikanischen Raum auch als Deep Brain Stimulation (DBS) bezeichnet, ist eine invasive neurochirurgische Behandlungsmethode. Sie wird zur Linderung von Symptomen bei Bewegungsstörungen wie Parkinson-Krankheit, Dystonie und essentiellem Tremor eingesetzt. Bei dieser Methode werden Elektroden in bestimmte Gehirnregionen implantiert, die für die jeweilige Störung verantwortlich sind. Die implantierten Elektroden sind mit einem Impulsgeber verbunden, der unter der Haut im Brustbereich oder in der Bauchregion platziert wird. Die tiefe Hirnstimulation ist reversibel und anpassbar, sodass die Stimulationseinstellungen im Laufe der Zeit an die individuellen Bedürfnisse des Patienten angepasst werden können. Obwohl THS bei vielen Patienten eine deutliche Verbesserung der Lebensqualität bewirkt, birgt sie Risiken wie Infektionen, Blutungen und mögliche Fehlplatzierung der Elektroden.
Vagusnerv-Stimulation (VNS)
Die Vagusnerv-Stimulation (VNS) ist eine invasive Behandlungsmethode, bei der ein kleines Gerät, ähnlich einem Herzschrittmacher, unter der Haut im Brustbereich implantiert wird. Dieses Gerät ist über eine Elektrode mit dem linken Vagusnerv verbunden, der vom Hals bis in den Brust- und Bauchbereich verläuft. Der Vagusnerv ist ein wichtiger Nerv des parasympathischen Nervensystems und beeinflusst eine Vielzahl von Körperfunktionen, einschließlich der Gehirnaktivität. Die VNS wird hauptsächlich zur Behandlung von Epilepsie eingesetzt, insbesondere bei Patienten, bei denen Medikamente nicht ausreichend wirken. Sie wird auch bei schweren Depressionen und anderen psychiatrischen Erkrankungen untersucht. Die VNS-Behandlung ist im Allgemeinen sicher, aber es können Nebenwirkungen wie Heiserkeit, Husten, Atembeschwerden oder Schluckbeschwerden auftreten, die in der Regel mild und vorübergehend sind.
Elektrokonvulsionstherapie (EKT)
Die Elektrokonvulsionstherapie (EKT) ist eine medizinische Behandlung, bei der unter kontrollierten Bedingungen ein elektrischer Strom durch das Gehirn geschickt wird, um eine kurze, generalisierte Anfallsaktivität auszulösen. EKT wird hauptsächlich zur Behandlung von schweren psychischen Erkrankungen eingesetzt, insbesondere bei therapieresistenten Depressionen, manischen Episoden und akuter Schizophrenie. Vor der Anwendung der EKT werden Patienten unter Vollnarkose gesetzt und erhalten ein Muskelrelaxans, um mögliche Verletzungen aufgrund von Muskelkontraktionen während des Anfalls zu verhindern. Die EKT kann als unilaterale (nur auf einer Seite des Gehirns) oder bilaterale (auf beiden Seiten des Gehirns) Variante durchgeführt werden. Die unilaterale EKT verursacht in der Regel weniger kognitive Nebenwirkungen, während die bilaterale EKT als wirksamer gilt. EKT ist eine wirksame Behandlung für viele Patienten, die auf herkömmliche medikamentöse Therapien nicht ansprechen.
Fokale elektrische Stimulation (FES)
Die fokale elektrische Stimulation (FES) ist eine Methode, bei der elektrische Ströme verwendet werden, um gezielt die Aktivität von Nerven oder Muskeln zu beeinflussen. FES wird häufig in der Rehabilitation von Patienten mit neurologischen Erkrankungen oder Verletzungen eingesetzt, um motorische Funktionen, wie Bewegung und Muskelkraft, zu verbessern oder wiederherzustellen. Bei der FES werden Elektroden entweder auf der Hautoberfläche (transkutane FES) oder direkt an den Nerven bzw. Muskeln (implantierte FES) angebracht. FES wird in verschiedenen medizinischen Bereichen eingesetzt, wie z. B. bei Schlaganfallrehabilitation, Rückenmarksverletzungen, multipler Sklerose oder zerebraler Lähmung. Die Methode kann dazu beitragen, die Mobilität und Unabhängigkeit der Patienten zu erhöhen, Muskelatrophie zu reduzieren und Gelenkkontrakturen vorzubeugen. In vielen Fällen hat sich FES als wirksam bei der Verbesserung der motorischen Funktionen, Reduzierung von Muskelatrophie und Erhöhung der Lebensqualität erwiesen. Studien haben gezeigt, dass FES besonders nützlich bei der Rehabilitation von Schlaganfallpatienten und bei Personen mit Rückenmarksverletzungen oder anderen neurologischen Erkrankungen sein kann. Es ist wichtig zu beachten, dass die Wirksamkeit von FES von einer Reihe von Faktoren abhängt, einschließlich der Art und Schwere der Erkrankung, dem Zeitpunkt der Intervention sowie der Einhaltung und Dauer des Trainingsprogramms.
Pharmakologische Ansätze
Neben den genannten Stimulationstechniken gibt es auch pharmakologische Ansätze, die die Erregbarkeit von Nervenzellen beeinflussen können. Diese Ansätze zielen in der Regel auf spezifische Ionenkanäle oder Neurotransmittersysteme ab, die eine wichtige Rolle bei der neuronalen Erregbarkeit spielen.
Beeinflussung von Ionenkanälen
Die Erregbarkeit von Nervenzellen ist maßgeblich abhängig von sogenannten Ionenkanälen, die sowohl in der Peripherie an den Axonen aber auch auf Rückenmarksebene die Wahrnehmung von Schmerzen und auch die Ansteuerung von Muskeln regulieren können. Zu diesen Ionenkanälen gehören Natriumkanäle, Kaliumkanäle, HCN-Kanäle, etc. Krankhaft veränderte Ionenkanäle können die Erregbarkeit einer Nervenzelle maßgeblich regulieren. Aus der Schmerzforschung wissen wir bereits, dass bestimmte Formen von Schmerz auf eine Übererregbarkeit von Natrium- und Kalziumkanälen zurückzuführen ist. Folglich wirkt eine Therapie, bei die Funktion dieser Ionenkanäle geblockt oder zumindest gehemmt wird.
Modulation von Neurotransmittersystemen
Die Modulation von Neurotransmittersystemen, wie beispielsweise des Glutamat- oder GABA-Systems, kann ebenfalls die Erregbarkeit von Nervenzellen beeinflussen. Glutamat ist der wichtigste exzitatorische Neurotransmitter im Gehirn, während GABA der wichtigste inhibitorische Neurotransmitter ist. Eine Erhöhung der Glutamat-Aktivität oder eine Verringerung der GABA-Aktivität kann die Erregbarkeit von Nervenzellen steigern.
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