Die Neuromodulation, insbesondere die Tiefe Hirnstimulation (THS), hat sich zu einer vielversprechenden Therapie für neurologische Erkrankungen wie Dystonie und Morbus Parkinson entwickelt. Diese fortschrittliche Methode der Hirnstimulation beinhaltet die Implantation von Elektroden im Gehirn, die elektrische Impulse abgeben, um abnormale Nervenaktivitäten zu korrigieren. Die jüngsten Fortschritte in der Medizintechnik, insbesondere die Integration von künstlicher Intelligenz (KI) und die Entwicklung von Mini-Impulsgebern, versprechen, die Wirksamkeit und Verträglichkeit der THS weiter zu verbessern.
Tiefe Hirnstimulation: Präzision durch Fortschritt
Vor etwa 100 Jahren entdeckten Wissenschaftler, dass Informationen im Gehirn elektrochemisch übertragen werden. Heute sind Medizintechnik und Ärzte in der Lage, abnormale Signalübertragungen im Gehirn zu erkennen und zu scannen, die Dystonien auslösen können. Die Tiefe Hirnstimulation wurde entwickelt, um kleinste, fehlfunktionierende Regionen im Gehirn durch implantierte Elektroden mikroelektrisch zu stimulieren. Diese "Mensch-Maschine-Methode" wird seit einigen Jahren zur Linderung von hyperkinetischen Bewegungsstörungen wie Dystonie eingesetzt.
Neuromodulation als Schlüssel
Das Zauberwort im Zusammenhang mit THS lautet "Neuromodulation". Künstlich erzeugte mikroelektrische Impulse werden in bestimmten Rhythmen in bestimmte Hirnregionen gelenkt, um dort einen korrigierenden Einfluss auf die natürlichen, aber abnormalen Nervenimpulse auszuüben. Die Wirkung einer THS ist von Patient zu Patient unterschiedlich. Statische mikroelektrische Impulse sind nur ein Aspekt; die Notwendigkeit flexibler Anpassungen der Stimulation ist ein anderer.
KI-gestützte THS: Ein Paradigmenwechsel
Dystone Bewegungsstörungen können nur dann nachhaltig behandelt werden, wenn die Medizintechnik lernt, wechselwirkend mit dem Gehirn zu kommunizieren. Dies setzt voraus, dass die THS große Datenmengen verarbeiten und verstehen kann. Hier kommt die künstliche Intelligenz (KI) ins Spiel, die von Medizindatentechnikern in die Implantate integriert wird.
Die neuen Ansätze der THS zielen darauf ab, die Impulsdynamik gestörter Netzwerkaktivität zu erfassen, um diese dann adaptiv zu stimulieren - ein Verfahren, das als "Closed Loop" bezeichnet wird. Das neue KI-gestützte Implantat ist gleichzeitig Sensor und stimulierende Elektrode. Es erkennt über intelligente Algorithmen krankhafte Erregungsmuster und kann die Stimulation entsprechend anpassen. Die ersten Systeme werden seit 2021 im Rahmen klinischer Tests verbaut. Erste "intelligente Implantate" wurden bereits als Medizinprodukte CE-zertifiziert. Die nächsten Jahre werden besonders für Dystonie-Patienten spannend, da erwartet wird, dass die Wirksamkeit der THS weiter zunehmen wird.
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Closed-Loop-Systeme: Bedarfsgerechte Stimulation
Bisherige Verfahren der Tiefen Hirnstimulation stimulieren kontinuierlich die Hirnareale, von denen die dystonen Bewegungsstörungen ausgehen. Zukünftige Verfahren sollen jedoch bedarfsgerecht elektrische Impulse abgeben. Bei den adaptiven Verfahren kommt es technisch zu einer "Feedback"-kontrollierten Stimulation, die fachsprachlich auch als "Closed Loop" bezeichnet wird.
Der Trigger für eine stimulatorische Anpassung kann entweder über klinische Symptome ausgelöst werden, etwa aufgrund eines vermittels Sensortechnik festgestellten Zitterns. Alternativ können die neuesten Elektroden sogar im Gehirn besondere neuronale Aktivitäten in den Basalganglien detektieren, nämlich die sogenannten Betawellen, deren jeweilige Intensität wiederum den Stimulationsbedarf bestimmt. Diese fortschrittlichen Systeme werden, sobald sie sich weltweit durchgesetzt haben, zum einen die unerwünschten Nebenwirkungen der Tiefen Hirnstimulation zu lindern vermögen. Zum anderen dürfte die Closed-Loop-Technik zu einem besseren Verständnis der Ursachen von dystonen Bewegungsstörungen beitragen.
Zielpunkte machen den Unterschied
So wenig es "DIE" Dystonie gibt, so wenig gibt es "DIE" Zielorte für jene Elektroden, die als Bestandteil einer Tiefen Hirnstimulation (THS) im Bewegungszentrum des Gehirns Betroffener platziert werden. Forscherinnen und Forscher um Prof. Dr. Andrea Kühn der Charité in Berlin fanden dies im Rahmen einer besonderen Studie heraus.
In einer vergleichenden Untersuchung von 80 Patientinnen und Patienten, die hälftig von einer Zervikalen und hälftig von einer Generalisierten Dystonie betroffen sind und zur Linderung ihrer Symptome eine THS in jeweils unterschiedlichen Arealen gesetzt bekommen haben, konnte anhand hernach erstellter "Netzwerkkarten", die mit der Verbesserung dystoner Symptome abgeglichen wurden, Rückschlüsse darauf gezogen werden, welche Implantationsareale für welchen Therapieerfolg entscheidend waren. Im Ergebnis stellte sich heraus, dass bei Personen mit zervikaler Dystonie die elektrische Stimulation eines bestimmten Netzwerkes entscheidend war, das unter anderem auch die Hals- und Kopfregion des primären Motorkortexes aktiviert. Bei den Personen mit Generalisierter Dystonie zeigte sich die Anregung eines Netzwerks als vorteilhaft, das eine Projektion auf den gesamten primären Motorkortex einschloss.
Komponenten der Tiefen Hirnstimulation
Eine Tiefe Hirnstimulation besteht aus drei wesentlichen Komponenten:
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- Elektroden: Wenigstens zwei Elektroden werden in die Zielregionen im Gehirn implantiert.
- Kabelverbindungen: Kabel verbinden die Elektroden mit dem Impulsgeber.
- Impulsgeber: Der Impulsgeber, auch Schrittmacher genannt, wird unter dem Schlüsselbein unter der Haut eingesetzt. Er ist etwa 6cm x 6cm groß und von außen deutlich sichtbar. Von ihm führen Kabel den Hals entlang, hinterm Ohr vorbei auf die Schädeldecke, wo eine Verbindung mit den Elektroden hergestellt wird.
Mini-Impulsgeber: Picostim
Die britische Firma "Bioinduction" hat einen Impulsgeber entwickelt, der nur noch 2cm x 2cm groß ist und unmittelbar in die Schädeldecke eingelassen wird. Er trägt den Namen "Picostim". Dieser Mini-Impulsgeber birgt mehrere Vorteile:
- Kabelverbindungen von der Schädeldecke bis unter das Schlüsselbein entfallen.
- Weniger Technik bedeutet weniger Operationen und Wunden.
- Weniger Technik heißt überdies weniger Möglichkeiten technischer Defekte.
- Weniger implantiertes Material reduziert die Gefahr von Infektionen und Allergien.
- Das von zahlreichen THS-Implantieren empfundene Spannungsgefühl, was die Kabel hinterm Ohr und entlang des Halses auszulösen vermögen, entfällt.
Aktuell wird der Picostim in Großbritannien Parkinsonpatienten eingesetzt. Es dürfte jedoch nur eine Frage der Zeit sein, wann der Stimulator den "medizinischen Weltmarkt" erobern und demgemäß auch eine Zulassung in der EU sowie in Deutschland erfahren wird.
Energieversorgung: Minibrennstoffzelle statt Batterien/Akkus
THS-Patienten kennen das: Entweder arbeitet ihr Impulsgeber mit einer Batterie, die nach einigen Jahren operativ ausgetauscht werden muss, oder sie sind mit wiederaufladbaren Akkus versorgt. Beides könnte in fünf bis zehn Jahren der Vergangenheit angehören.
Wie funktioniert die Tiefe Hirnstimulation?
Nach Inbetriebnahme der THS vermögen die vom Impulsgeber generierten hochfrequenten, elektrischen Impulse auf eine Weise auf die Basalganglien Einfluss zu nehmen, die zur Folge hat, dass jene hemmenden Impulse, die das interne Pallidum bei gesunden Menschen auf natürliche Weise vom internen Pallidium aussendet, bei Dystoniebetroffenen imitiert werden. Eine Dystonie wird dadurch jedoch nicht unterdrückt. Oder anders formuliert: Schaltet man den Schrittmacher und somit die THS aus, kehren die dystonen Symptome unweigerlich zurück.
Individuelle Unterschiede und Wirkungsweise
Die Tiefe Hirnstimulation (THS) zählt bei bestimmten Dystonien - vor allem jene monogenetischen Ursprungs - zu den etablierten Therapieverfahren, vor allem dann, wenn herkömmliche Methoden der Behandlung keinen hinreichenden Erfolg zeitigen oder schlicht nicht vertragen werden. Dennoch kommt es vor, das Personen, die von ein und der selben Dystonieart betroffenen sind, nach Implantation einer THS, nicht gleichermaßen von dieser profitieren. Oder anders formuliert: Mal wirkt sie. Mal mehr. Mal weniger. Oder auch nicht. Zufall? Mitnichten!
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Jedes Gehirn ist so einzigartig wie ein Fingerabdruck. Ja, eine Fingerkuppe ist zwar eine Fingerkuppe, genauso, wie ein Gehirn ein Gehirn ist. Doch gleichsam, wie es keinen Fingerabdruck gibt, der einem Anderen gleicht, so gibt es auch kein Gehirn - in punkto neuronale Verschaltungen und Verschaltungsmuster - ein zweites Mal. Gehirne sind, im Detail, so einzigartig wie Fingerabdrücke!
Der Wirkerfolg einer THS hängt davon ab, ob es den Operateuren gelungen ist, das Kerngebiet der "Schaltstörung" zu treffen, das die dystonen Symptome auslöst, den sogenannten "sweet spot". Dies gelingt der Einen mehr, dem Anderen weniger. In einem weiteren Schritt hängt der Wirkerfolg davon ab, ob und wie es gelingt, die schaltgestörten Hirnareale so zu stimulieren, dass die Signale, die schlussendlich zu dystonen Symptomen führen, unterdrückt werden. Dies vor allem, weil kein Gehirn im Detail einem anderen gleicht. Zwar gibt es - getreu dem Motto: "Häufiges ist häufig und Seltenes ist selten." - rein statistisch betrachtet Einstellungen, die besser wirken, als andere. Doch eben eben auch nur statistisch. Doch gerade weil sich Gehirne im Detail doch sehr unterscheiden können, ist, was das Finden wirksamer Einstellungen anbelangt, mitunter viel Geduld gefragt.
Außerdem weiß man heute, dass es sich bei bestimmten Dystoniearten um fortschreitende Bewegungsstörungen handelt. Dies bedeutet wiederum, dass eine Einstellung, die anfänglich einmal wirksam war, nicht notwendigerweise dauerhaft wirksam bleibt. Schließlich kann eine THS in Einzelfällen auch bei kaum oder nicht-fortschreitenden Dystonien, nach geraumer Zeit ihre Wirkung schleichend einbüßen. Dies liegt bei funktionstüchtiger Technik sowie einwandfrei plazierten Elektroden sodann an "stimulatorischen Gewöhnungseffekten" im Gehirn.
Die Bedeutung elektrischer Impulse für Bewegung
Lebewesen können bewegt werden oder sich selbst bewegen, oder gar beides. Der Motor unserer Bewegung ist das Gehirn. Jeder Motor benötigt Energie. Unser Motor benötigt kein Benzin, Kerosin oder Schweröl, wie der Motor eines Autos, Flugzeugs oder Schiffs. Unser Motor benötigt Glucose (Zucker). Dieser "Treibstoff" treibt uns sozusagen an. Er trägt unter anderem dafür Sorge, dass elektrische Impulse in unserem Gehirn entstehen. Faszinierend dabei: Obgleich unser Gehirn nur etwa 2% unserer Körpermasse ausmacht, verbraucht es jedoch rund 20% der Energie, die wir zu uns nehmen.
Die elektrischen Impulse im Gehirn - auch Signale genannt - wirken auf zweierlei Weise. Zum einen kommunizieren die unterschiedlichen Hirnbereiche über diese miteinander. Zum anderen werden sie in Richtung Muskeln und zurück entsendet, um dort für Bewegung zu sorgen. Botenstoffe, z.B. Dopamin, sind "Leitungshelfer". Sie übertragen die elektrischen Signale von einer Nervenzelle auf die Nächste; über sogenannte synaptische Spalte hinweg. Ein "lebendiges Lebewesen" steht sozusagen unter Strom. Und: Ohne Strom keine Bewegung. Menschen, die sich - wider Willen - zu viel oder zu wenig bewegen haben demgemäß ein "elektrisches Problem". Dieses fußt entweder auf defekten "Leitungen" oder defekten "Schaltstellen bzw. -kreise".
Bei Dystonie liegt, vereinfacht gesprochen, ein Schaltstellen und/oder Schaltkreisproblem vor. So funktioniert bei Dystoniebetroffenen grundsätzlich die motorische Zentralschaltstelle in der Tiefe des Gehirns - ein Teil der Basalganglien - nicht normal. Was genau defekt ist, entzieht sich allerdings noch der wissenschaftlichen Erkenntnis. Bekannt ist lediglich, dass aktivierende und hemmende Signale zwar "produziert", aber irgendwie nicht richtig aufeinander abgestimmt ausgesendet werden. Der Schaltstellendefekt führt sodann wiederum dazu, dass Schaltkreise im Gehirn, die für die Bewegung der Skelettmuskulatur verantwortlich sind, nicht so funktionieren, wie sie eigentlich funktionieren sollten. All dass führt schlussendlich dazu, dass die Muskeln bei Dystonie, was deren An- und Entspannung anbelangt, sozusagen ein Eigenleben führen, dem die Betroffenen schonungslos ausgesetzt sind und ohne Therapie - in welcher Form auch immer - kaum bis gar nicht Einhalt gebieten können.
Wer profitiert von der Tiefen Hirnstimulation?
Eine Tiefe Hirnstimulation (THS) wird nicht jedem bzw. jeder Dystoniebetroffenen angeboten. Zunächst einmal gilt es andere Therapiemethoden auszuprobieren, etwa die Gabe von Medikamenten, die Injektion von Botulinumtoxin sowie Physiotherapie. Dass die THS nicht allen Dystoniebetroffenen angeboten wird, liegt an verschiedenen Gründen. Es gibt sekundäre bzw. auf eine THS. Warum genau dem so ist, entzieht sich heute noch der ärztlichen Kenntnis.
Andere Formen der Neuromodulation
Neben der Tiefen Hirnstimulation gibt es eine Reihe weiterer Methoden zur elektrischen bzw. elektromagnetischen Gehirnstimulation, die als therapeutische Optionen in Betracht gezogen werden. Grundsätzlich lassen sich invasive und nichtinvasive Gehirnstimulationsverfahren unterscheiden.
Nichtinvasive Verfahren:
- Elektrokonvulsionstherapie (EKT)
- Repetitive transkranielle Magnetstimulation (rTMS)
- Tiefe („deep“) dTMS
- Magnetkonvulsionstherapie (MKT)
- Low Field Magnetic Stimulation (LFMS)
- Transkranielle Gleich-, Wechsel und Rauschstromstimulation („transcranial direct current stimulation“, tDCS; „high definition direct current stimulation“, HDtDCS; „transcranial alternating current stimulation“, tACS; „transcranial random noise stimulation“, tRNS)
- Transkutane Vagusnerv- und Trigeminusnervstimulation (tVNS, TNS)
Invasive Ansätze:
- Tiefe Hirnstimulation („deep brain stimulation“, DBS)
- Vagusnervstimulation
- Epidurale Stimulation
Eine Sonderform neuromodulatorischer Methoden stellt das Neurofeedback dar. Im Gegensatz zu allen anderen vorgestellten Verfahren erfolgt dabei keine Stimulation von außen. Dem Patienten oder Probanden werden stattdessen Informationen über seine Gehirnaktivität in Echtzeit rückgemeldet („Feedback“).
Rückenmarkstimulation
Die Rückenmarkstimulation ist eine weitere Form der Neuromodulation, die zur Behandlung chronischer Schmerzen eingesetzt wird. Dabei werden Elektroden in den Epiduralraum implantiert, um elektrische Impulse an das Rückenmark abzugeben. Diese Impulse können die Schmerzsignale blockieren und so die Schmerzen lindern.
Centrum für Neuromodulation an der Charité
Das Centrum für Neuromodulation wurde 2022 gegründet und ist ein interdisziplinärer, abteilungsübergreifender Zusammenschluss von Wissenschaftlern und Ärzten der Charité und des BIH auf dem Gebiet der Neuromodulation. Das Ziel des Centrums ist es, translationale Forschungsansätze umzusetzen und die Entstehung abteilungsübergreifender Kollaborationen zu fördern.