Elektroden zur Hirnstimulation: Fortschritte und Innovationen in der Therapie von Bewegungsstörungen

Die tiefe Hirnstimulation (THS) ist eine etablierte Behandlungsmethode zur Linderung der Symptome von Bewegungsstörungen. Durch die Implantation von Elektroden in spezifische Hirnregionen und die Abgabe von elektrischen Impulsen können krankhafte Erregungsabläufe im Gehirn moduliert werden. Neueste Entwicklungen in der Elektroden- und Schrittmachertechnologie ermöglichen eine präzisere und individuellere Anpassung der Therapie an die Bedürfnisse der Patientinnen und Patienten.

Tiefe Hirnstimulation (THS): Ein Überblick

Die tiefe Hirnstimulation (THS), im anglo-amerikanischen Raum als Deep Brain Stimulation (DBS) bezeichnet, ist eine interdisziplinäre Behandlung von Bewegungsstörungen. Bei der THS werden feine Elektroden in bestimmte Hirnregionen implantiert, um dort kontinuierlich elektrische Impulse abzugeben. Diese Impulse modulieren die Aktivität der Hirnareale und können so die Symptome der Bewegungsstörung lindern.

Die für die Implantation der Elektroden angewendete hochpräzise neurochirurgische Operationsmethode nennt man Stereotaxie. Diese Operationsmethode wurde bereits in den 1950er Jahren entwickelt. Durch die Verwendung moderner bildgebender Verfahren und der computergestützten Operationsplanung ist das Verfahren stetig weiterentwickelt und noch sicherer geworden. Des Weiteren bieten technische Neuerungen der Hirnschrittmacher und der Elektroden.

Die THS ist zur Behandlung vieler neurologischer Erkrankungen bereits zugelassen. Die Therapiemöglichkeit anderer neurologischer aber auch psychiatrischer Erkrankungen werden derzeit in Studien und kleineren Fallserien untersucht. Etabliert hat sich die THS zur Behandlung des Morbus Parkinson; hier wird als Zielpunkt meist der sogenannte Nucleus subthalamicus (STN) verwendet, ein Kerngebiet in den Basalganglien, das durch die Erkrankung überaktiv ist. Alternativ kommt zur Behandlung von Überbeweglichkeiten (Dyskinesien) in der Spätphase der Parkinsonerkrankung als Zielpunkt der Globus pallidus internus (GPi) in Frage. Zur Behandlung eines Parkinson-Tremors wie auch des Essentiellen Tremors hat sich als Zielpunkt der sogenannte Nucleus ventralis intermedius (VIM) des Thalamus bewährt. Die generalisierte und segmentale Dystonie wird durch eine THS im GPi behandelt. Weitere Studien zu dem gleichen Zielpunkt laufen aktuell für tardive Dyskinesien, einer Spätkomplikation nach Behandlung mit sogenannten Neuroleptika, und zeigen auch nach unseren eigenen Erfahrungen einen guten Effekt. Ebenso werden Untersuchungen zur THS bei Chorea Huntington (Chorea major) durchgeführt.Zugelassen ist die THS auch zur Behandlung der fokalen Epilepsie. Hierbei wird im sogenannten anterioren Thalamus stimuliert. Neben diesen neurologischen Erkrankungen werden seit einigen Jahren zunehmend psychiatrische Erkrankungen mit der THS behandelt. Diese ist zur Behandlung von Zwangserkrankungen bereits zugelassen, vielversprechende Ergebnisse zeigen sich auch in kleineren Studien bei Patienten mit chronischer Depression.

Wirkungsweise der Tiefen Hirnstimulation

Trotz dieser mittlerweile breiten Anwendung der THS zur Behandlung neurologischer und auch psychiatrischer Erkrankungen ist die Wirkweise der THS bislang nicht geklärt. Die THS arbeitet über eine (meist) kontinuierliche hochfrequente elektrische Stimulation von Kerngebieten des Gehirns. Es wird angenommen, dass über diese hochfrequente Stimulation eine Hemmung des Kerngebietes stattfindet, die sich daraufhin auch auf das gesamte Netzwerk der Basalganglien auswirkt. Wie diese Hemmung genau zustande kommt, ist bislang nicht geklärt.

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Wichtig ist, dass die THS durch die Modulation von Netzwerken nur eine symptomatische Behandlung ist, d.h. nach heutiger Kenntnis nur die Symptome reduziert, aber keinen Einfluss auf das Vorhandensein oder Voranschreiten der zugrunde liegenden Erkrankung hat. Daher ist der Effekt der THS auch reversibel: nach Ausschalten des Stimulators stellt sich ein Zustand ein, wie er zu diesem Zeitpunkt ohne Stimulation wäre.

Indikationen für die Tiefe Hirnstimulation

Die THS ist ein etabliertes Verfahren zur Behandlung von Bewegungsstörungen, insbesondere bei fortgeschrittenem Morbus Parkinson. Sie kommt infrage, wenn die medikamentöse Therapie nicht mehr ausreichend wirkt oder zu starken Nebenwirkungen führt. Weitere Indikationen sind:

• Morbus Parkinson: Bei vermehrten Bewegungsschwankungen im Tagesverlauf oder einem medikamentös nicht ausreichend behandelbaren Tremor.
• Essentieller Tremor: Bei starkem Zittern, das die Lebensqualität beeinträchtigt.
• Dystonie: Bei unwillkürlichen Muskelverkrampfungen, die zu Fehlhaltungen und Schmerzen führen.
• Fokale Epilepsie: Hierbei wird im sogenannten anterioren Thalamus stimuliert.
• Zwangserkrankungen: Hierbei werden seit einigen Jahren zunehmend psychiatrische Erkrankungen mit der THS behandelt.

Auswahl der Patientinnen und Patienten

Aufgrund von möglichen Nebenwirkungen ist in Abhängigkeit von Zielpunkt und Erkrankung eine ambulante oder stationäre Abklärung zur Selektion der geeigneten Patienten notwendig. Stationär werden in der Regel Patienten mit Morbus Parkinson oder einer Dystonie abgeklärt. Neben der Dokumentation der klinischen Symptomatik im tageszeitlichen Verlauf über den stationären Beobachtungszeitraum wird eine Bildgebung des Gehirns (Kernspintomographie ), neuropsychologische Testungen (Gedächtnistests), eine Vorstellung bei einem Psychiater zum Ausschluss einer schwerwiegenden psychiatrischen Erkrankung, apparative Zusatzuntersuchungen sowie das Ansprechen der Symptome auf verschiedene Medikamente durchgeführt, um Argumente für und wider eine Operation zu sammeln. Die Patienten werden gegen Ende des stationären Aufenthalts in einer interdisziplinären Konferenz (MoDis-Konferenz) gemeinsam mit den Kollegen der Sektion für Stereotaktische Neurochirurgie ausführlich besprochen und das individuelle Operationsrisiko gegen den möglichen Gewinn durch diesen Eingriff abgewägt. Die Entscheidung, ob eine THS-Operation stattfinden kann oder nicht, ist daher immer ein interdisziplinärer Konsens.

Innovative Elektroden für die Tiefe Hirnstimulation

Vercise Cartesia X: Eine Neuentwicklung mit 16 Kontakten

Ein Team der Neurochirurgischen Klinik des Uniklinikums Würzburg (UKW) implantierte am 18. Juni dieses Jahres als erstes Krankenhaus Deutschlands erfolgreich die Elektroden Vercise Cartesia X des Herstellers Boston Scientific bei einem 69-jährigen Patienten mit Parkinson-Erkrankung. Sie sind die ersten und bislang einzigen direktionalen Elektroden mit 16 Kontakten auf dem Markt und dienen der Tiefen Hirnstimulation (THS).

Die neue Elektrode zur Tiefen Hirnstimulation hat doppelt so viele Kontakte wie herkömmliche Systeme. Durch die Verdoppelung der Elektrodenkontakte bei der Neuentwicklung im Vergleich zu früheren THS-Systemen, die Segmentierung in noch kleinere Kontakte und deren über 360° wählbare Ausrichtung ringsum ist es jetzt möglich, die Stimulation sehr genau zu steuern und noch individueller an die Bedürfnisse der Patientinnen und Patienten anzupassen. „Das innovative System erlaubt eine maßgeschneiderte, hochpräzise Therapie, die auf die individuellen Bedürfnisse abgestimmt werden kann - sowohl direkt nach der Implantation als auch im Verlauf der Erkrankung, wenn sich die Symptome verändern”, kommentiert Prof. Dr. Cordula Matthies.

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Direktionale Stimulation und bildgestützte Programmierung

Boston Scientific setzt dabei auf die Kombination fortschrittlicher Technologien: Direktionale Stimulation und bildgestützte Programmierung. "Direktionale Stimulation" bedeutet, dass der Strom in Ihrem Gehirn nur in eine bestimmte Richtung abgegeben wird. So werden nur die Hirnareale elektrisch stimuliert, die stimuliert werden sollen. Bei der Einstellung des Stimulators setzt Boston Scientific ganz auf die „bildgestützte Programmierung“. Sie ermöglicht die Darstellung der individuellen Gehirnanatomie von Patient:innen zusammen mit der implantierten THS-Elektrode. Die Stimulation kann mit Hilfe der bildgestützten Programmierung individuell auf Ihre Erkrankung und Ihre Gehirnanatomie angepasst werden. Das spart bei der eigentlichen Programmierung des Stimulators viel Zeit (Lange et al.,). Nach der OP kann es einige Zeit dauern, bis die Therapie so eingestellt ist, dass die höchste Wirksamkeit erreicht ist. Dies liegt daran, dass Ihre Medikamente schrittweise reduziert werden müssen und gleichzeitig die Stimulation erhöht. Auch wenn sich Ihre Erkrankung verändert, können nach einiger Zeit Anpassungen nötig sein. So sehen die behandelnden Ärzt:innen genau, wo stimuliert wird. Dies erlaubt eine schnelle und einfache Programmierung. Bis 2018 erfolgte diese Einstellung noch ohne genaue visuelle Orientierung - es musste schrittweise ausprobiert werden, an welcher Stelle die Stimulation am besten wirkt. Aktuelle Studien zeigen, dass Patient:innen direkt von den Möglichkeiten der bildgestützten Programmierung profitieren. So wurde gezeigt, dass die Einstellung 56 % schneller ist als mit dem schrittweisen Ausprobieren (Lange et al., 2021). Prof. PD Dr.

Mit der bildgestützten Programmierung ist das Ende der technischen Innovation noch nicht erreicht. Ärzt:innen legen zuvor in der Software fest, welche Hirnstruktur das Ziel der Stimulation sein soll und welche Strukturen vermieden werden sollen. Mit diesen Informationen errechnet der Algorithmus die optimale Einstellung vollautomatisch. Selbstverständlich muss dieser Programmiervorschlag von Ärzt:innen überprüft und die Stimulation auch von diesen gestartet werden. In den USA wird der Algorithmus schon in vielen Kliniken zur Einstellung des Hirnschrittmachers verwendet.

Vorteile der neuen Elektroden

Die neuen Elektroden bieten eine Reihe von Vorteilen gegenüber herkömmlichen THS-Systemen:

• Präzisere Steuerung der Stimulation: Durch die höhere Anzahl an Kontakten und die Möglichkeit der direktionalen Stimulation kann die Stimulation genauer auf die betroffenen Hirnareale ausgerichtet werden.
• Individuellere Anpassung an die Bedürfnisse der Patientinnen und Patienten: Die vielfältigen Einstellungsmöglichkeiten ermöglichen eine maßgeschneiderte Therapie, die an die individuellen Symptome und den Krankheitsverlauf angepasst werden kann.
• Geringere Nebenwirkungen: Durch die präzisere Steuerung der Stimulation können unerwünschte Nebenwirkungen reduziert werden.
• Effizientere Programmierung: Mithilfe einer neuen Software können die Stimulationsprogramme anhand der Hirnbilder der Patientinnen und Patienten am Computer entworfen, berechnet und simuliert werden. Dies kann die Ansteuerung der Elektrodenkontakte optimieren sowie die Austestung des individuellen Stimulationsprogramms wesentlich erleichtern und beschleunigen.

Ablauf der Implantation und Einstellung der Elektroden

Vorbereitung und Planung

Vor der Implantation erfolgt eine umfassende Diagnostik, um die Eignung der Patientin oder des Patienten für die THS zu prüfen und die optimale Position der Elektroden im Gehirn zu bestimmen. Hierzu werden bildgebende Verfahren wie MRT und CT eingesetzt. Des Weiteren bieten technische Neuerungen der Hirnschrittmacher und der Elektroden (z. B.

Operation

Die THS-Operation wird durch die Ärzte der stereotaktischen Neurochirurgie durchgeführt, sie dauert insgesamt ca. 6 Stunden. Am Operationstag wird zunächst ein stereotaktischer Ring am Schädelknochen nach vorangegangener örtlicher Betäubung befestigt. Dieser Ring dient der Planung und Navigation des Neurochirurgen. Anschließend wird eine Computertomographie des Schädels veranlasst. Diese Bilddaten werden mit Daten aus einem vor dem Operationstag angefertigten Kernspintomogramm in Übereinstimmung gebracht. So erhält man die gute Auflösung des Kernspintomogramms mit Darstellung der Gefäße in Kombination mit dem stereotaktischen Ring. Hierdurch kann eine Planung des Zugangswegs zu dem jeweiligen Kerngebiet des Gehirnes unter Berücksichtigung der Gefäßverläufe erfolgen. Diese Prozedur ist wichtig, um die Komplikationsrate des Eingriffs minimal zu halten. Nach Planung wird ein zusätzlicher Bügel am stereotaktischen Ring befestigt, der die Navigation ermöglicht.

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Ableitung der Nervensignale aus dem Zielgebiet unter Verwendung mehrerer MikroelektrodenNach örtlicher Betäubung erfolgt zunächst ein Hautschnitt, danach wird ein Loch mit ca. 8 mm Durchmesser in die Schädeldecke gebohrt. Anschließend werden 2 bis 5 Mikroelektroden in das Gehirn eingeführt (das Gehirn selbst kann keinen Schmerz empfinden), die elektrische Ableitungen aus dem Kerngebiet ermöglichen und so eine Orientierungshilfe für den Neurochirurgen bieten. Über diese Mikroelektroden erfolgt auch eine Teststimulation, um den Effekt der THS auf die jeweiligen Symptome zu untersuchen. Gemeinsam mit dem Patienten wird so der optimale Stimulationsort detektiert und die endgültige Stimulationselektrode dort platziert. Ebenso wird mit der anderen Gehirnseite verfahren, da in der Regel eine beidseitige Operation durchgeführt wird.

Anschließend erfolgt in Vollnarkose die Implantation der Kabel und des Stimulators (Impulsgebers) unter der Haut. Der Impulsgeber ist durch die Haut programmierbar und wird einige Tage nach der Operation erstmals eingeschaltet. Die Anpassung der Stimulationsparameter erfolgt langsam und über viele Tage, hier ist gerade in den ersten Tagen und Wochen viel Geduld von Seiten des Patienten notwendig. Die Weiterbehandlung nach dem stationären Aufenthalt erfolgt in der Regel in einer Rehabilitationseinrichtung. Anschließend sind die Patienten regelmäßig in ambulanter Kontrolle am Neurozentrum in Freiburg.

Einstellung der Stimulation

Nach der Operation verbleiben Betroffene zunächst ein bis zwei Tage auf der neurochirurgischen Station. Ein paar Tage nach der Operation wird der Hirnschrittmacher erstmals aktiviert. In der Neurologie werden Impulsstärke und weitere Parameter des Hirnschrittmachers solange angepasst, bis die Parkinson Symptome möglichst effektiv gelindert werden und das bei möglichst geringen Nebenwirkungen. Wie lange der Aufenthalt dauert, hängt also stark von der individuellen Situation der jeweiligen Patientinnen und Patienten ab. Nach dem stationären Aufenthalt erfolgt eine Reha. Hier lernen Patientinnen und Patienten außerdem den Umgang mit einer Art Fernbedienung, mit welcher vor allem die Impulsstärke und weitere Stimulationsparameter des Schrittmachers von außen eingestellt werden können. Nach etwa drei bis fünf Jahren muss die Batterie gewechselt werden. Dies erfolgt über einen kleinen Schnitt am Hals, unter örtlicher Betäubung. Ein erneutes Anpassen der Elektroden im Gehirn ist nicht erforderlich.

Die Einstellung der Stimulationsparameter ist ein aufwendiger Prozess, der mehrere Tage oder Wochen dauern kann. Hierbei werden die Patientinnen und Patienten engmaschig neurologisch untersucht, um die optimale Stimulationseinstellung zu finden.

Software zur Unterstützung der Stimulationseinstellung

Ein Forschungsteam der Charité - Universitätsmedizin Berlin hat nun eine Software entwickelt, die die Einstellung effizienter machen könnte. In ihrer im Fachmagazin The Lancet Digital Health* erschienenen Studie konnten die Forschenden zeigen, dass die softwarebasierte Einstellung im Vergleich zur Stimulationseinstellung des herkömmlichen Verfahrens zu gleichwertigen Ergebnissen in der Verbesserung der motorischen Symptome führt.

Die Software berechnet auf Basis radiologischer Bilddaten des Gehirns der Patient:innen Vorschläge für eine individuelle Stimulationseinstellung, die zu einer Verbesserung der Symptome führen soll. Zu den wichtigsten Parametern, die dabei berücksichtigt werden, gehört die Stromstärke sowie die genaue Positionierung der stimuliabgebenden Bereiche der Elektroden. „Um die genaue Lage der Elektroden im Gehirn anhand von Bilddaten bestimmen und in den Algorithmus einbeziehen zu können, haben wir die Open-Source-Software Lead-DBS genutzt, die ebenfalls an der Charité entwickelt wurde“, sagt Jan Roediger. „Unser Algorithmus wurde dann mit einem Datensatz aus über 600 Stimulationseinstellungen, den dazugehörigen Bilddaten und Wirkungen auf die Symptomatik trainiert.“

Mögliche Komplikationen und Nebenwirkungen

Man unterscheidet Komplikationen durch den chirurgischen Eingriff (prozedural) von technischen Komplikationen des elektronischen Systems. Trotz sorgfältiger Planung des Zugangsweges und akkurater Durchführung der chirurgischen Handgriffe lassen sich Komplikationen durch den stereotaktischen Eingriff nicht ganz verhindern. Bei etwa 2% der operierten Patienten kommt es durch Verletzung eines Gefäßes zu einer Gehirnblutung, die in der Regel sehr klein und umschrieben ausfällt. Aufgrund des Zugangswegs und der Lage dieser Blutungen verursachen etwa die Hälfte dieser Blutungen (d.h. bei etwa 1% aller Patienten) auch neurologische Symptome wie Halbseitenlähmungen, Gefühlsstörungen, Sprach- oder Sprechstörungen. In der Regel bilden sich diese Symptome vollständig oder zumindest teilweise wieder zurück. Sehr, sehr selten kommt es zu einer Dislokation (Fehlplatzierung) der Elektrode mit Wirkverlust oder Auftreten von Nebenwirkungen. Häufig tritt eine solche Dislokation im Verlauf auf. Zunächst wird die entsprechende Elektrode nicht mehr stimuliert.

Ein weiteres Risiko, das über den chirurgischen Eingriff hinaus auch noch im langfristigen Verlauf zu Problemen führen kann, stellt das Infektionsrisiko dar. Bakterien haften sich sehr gerne an Implantaten an und sind einer Antibiotikatherapie nur schwer zugänglich. Dies bedeutet, dass eine Infektion nur selten durch Antibiose effektiv zu behandeln ist, häufig wird daher eine Explantation der Implantate notwendig. Meist ist es ausreichend, nur den Impulsgeber und einen Teil des Kabels zu entfernen; selten jedoch kann die Explantation des gesamten Systems notwendig werden, um die Entwicklung einer Hirn- und Hirnhautentzündung zu vermeiden.

Selbstverständlich sind die verwendeten technischen Bauteile sorgfältig geprüft und für den Gebrauch am Menschen zugelassen. Dennoch kann es im Verlauf - wie bei anderen elektrischen Apparaturen auch - zu einem Ausfall des Impulsgebers kommen, die zu einem Funktionsverlust der THS führen können. In diesem Fall kann ein Austausch des entsprechenden Kabels oder Stimulators durchgeführt werden. Notwendig wird der Austausch des Impulsgebers bei Erschöpfung der Batterie, die in Abhängigkeit von den Stimulationsparametern etwa 2 bis 7 Jahre lang hält. Dieser Eingriff wird durch die Ärzte der stereotaktischen Neurochirurgie in örtlicher Betäubung durchgeführt und dauert ca.

Je nach Stimulationsort und Elektrodenlage bzw. der verwendeten Spannung können durch die hochfrequente Stimulation neben den erwünschten Wirkungen auch Nebenwirkungen auftreten. Diese können vorübergehender Natur sein oder dauerhaft vorliegen. Zu nennen sind Sprechstörungen, Gefühlsstörungen, Verkrampfungen oder Doppelbilder. Im Falle des Nucleus subthalamicus bei M. Parkinson können auch mal psychiatrische Nebenwirkungen wie Apathie, depressive Verstimmung oder submanische Zustände provoziert werden, auf die natürlich besondere Aufmerksamkeit bei der Einstellung der Stimulationsparameter gerichtet wird.

Leben mit der Tiefen Hirnstimulation

Alltagstipps

Halten Sie sich fit. Um den Alltag als Patient/in bzw.

Batteriewechsel

Nach einigen Jahren ist die Batterie des Generators erschöpft. Dann wird der Generator durch eine kurze Operation gewechselt. Bis dahin können Patientinnen und Patienten den Batteriestand selbst kontrollieren.

MRT-Untersuchungen

Ja - alle unsere THS-Systeme sind für MRT-Untersuchungen zugelassen, wenn bestimmte Vorgaben beachtet werden. Wie bei anderen Metallimplantaten (z.B. Vor dem MRT wird das Gerät vom medizinischen Fachpersonal in den MRT-Modus versetzt. Dabei wird die Stimulation kurzzeitig ausgeschaltet, um die Untersuchung sicher durchzuführen.

Fazit

Die Elektroden zur Hirnstimulation, insbesondere die Vercise Cartesia X, stellen einen bedeutenden Fortschritt in der Therapie von Bewegungsstörungen dar. Durch die präzisere Steuerung der Stimulation, die individuellere Anpassung an die Bedürfnisse der Patientinnen und Patienten und die effizientere Programmierung können die Symptome der Erkrankung besser gelindert und die Lebensqualität der Betroffenen verbessert werden. Die Entwicklung von Software zur Unterstützung der Stimulationseinstellung trägt zusätzlich dazu bei, die Therapie effizienter und angenehmer zu gestalten.

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