Methoden zur Unterstützung der Heilung des Gehirns

Das Gehirn ist ein komplexes und empfindliches Organ, dessen Gesundheit für unser Wohlbefinden unerlässlich ist. Obwohl abgestorbene Neuronen in der Regel nicht nachwachsen, besitzt unser Nervengewebe eine bemerkenswerte Fähigkeit zur Selbstheilung und Kompensation von Schäden. Dieser Artikel beleuchtet verschiedene Methoden und Ansätze, die darauf abzielen, die Heilung des Gehirns zu unterstützen, von der Stammzelltherapie bis hin zur Neuroplastizität und innovativen Technologien wie Neurofeedback und Machine Reading.

Stammzelltherapie als Hoffnungsträger

Für Schlaganfallpatienten gibt es bisher kein Verfahren, um den entstandenen Schaden im Gehirn vollständig zu heilen. Plötzlich auftretende Sehstörungen, Sprachstörungen oder Lähmungen sind typische Anzeichen für einen Schlaganfall, dessen Ursache oft ein verstopftes Blutgefäß ist. Dadurch gelangt zu wenig Blut in die betroffene Hirnregion, was zu einer Unterversorgung mit Sauerstoff und Nährstoffen führt. Infolgedessen sterben Zellen ab, einschließlich Nervenzellen, was zu bleibenden Behinderungen führen kann.

Forscher weltweit arbeiten an Methoden, um diese Nervenzellen zu retten. Eine vielversprechende Option ist die Stammzelltherapie. Dr. Johannes Boltze, Leiter der Abteilung Zelltherapie des Fraunhofer-Instituts in Leipzig, forscht in diesem Bereich. Er erklärt, dass das Gewebe, das unmittelbar von einem Schlaganfall betroffen ist, unwiederbringlich verloren ist. Es gibt jedoch Bereiche um den Schlaganfall herum, in denen Prozesse langsamer ablaufen, und dieses Gewebe kann möglicherweise gerettet werden.

Zwei unterschiedliche Ansätze der Stammzelltherapie

Die Arbeitsgruppe um Boltze verfolgt seit Jahren erfolgreich zwei unterschiedliche Ansätze:

1. Stammzellen aus dem Knochenmark des Patienten: Bei diesem Ansatz werden sogenannte mononukleäre Zellen aus dem Knochenmark des Patienten selbst gewonnen. Diese Zellen, ein Gemisch aus reiferen Zellen und Stammzellen, müssen nicht unbedingt lokal ins Gehirn appliziert werden, sondern können auch über eine Infusion in eine Vene verabreicht werden. Der Vorteil dieser Methode ist ihre Einfachheit und das geringe Risiko. Der Nachteil besteht darin, dass die Zellen den geschädigten Ort im Gehirn erst finden müssen, um dort helfen zu können. Außerdem sind die Stammzellen aus dem Knochenmark adulte Stammzellen, die nicht mehr so potent sind wie embryonale Stammzellen.
2. Embryonale Stammzellen und daraus abgeleitete Zelllinien: Dieser Ansatz nutzt die Potenz von embryonalen Stammzellen und daraus abgeleiteten Zelllinien. Diese Stammzellen werden im Reagenzglas vordifferenziert, um ein mögliches Entartungspotenzial zu verhindern. Gleichzeitig wird angenommen, dass diese Zellen potenter sind als adulte Stammzellen. Diese neuronalen Stammzellen werden im Labor gezüchtet und können jedem Patienten wie ein Medikament direkt ins Gehirn gespritzt werden. Dieses Verfahren ist zwar mit gewissen Risiken verbunden, die größer sind als bei einer intravenösen Applikation, aber der erwartete Nutzen überwiegt das Risiko bei weitem.

Bisher haben Kleintierversuche gezeigt, dass die Stammzellen zwar nicht die abgestorbenen Zellen ersetzen, aber den verbliebenen Zellen helfen, sich neu zu organisieren und zu verknüpfen. Außerdem erleichtern sie die Bildung neuer Gefäße, was wichtig ist, damit die Nervenzellen nicht absterben. Wie die Stammzellen das genau machen, ist bislang jedoch nicht geklärt.

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Der Zeitpunkt der Behandlung ist entscheidend

Die Forscher haben beobachtet, dass Zellen aus dem Knochenmark am besten in den ersten drei Tagen nach dem Schlaganfall wirken, indem sie Entzündungsreaktionen und Vernarbungsprozesse beeinflussen. Neuronale Stammzellen hingegen können länger eingesetzt werden, wahrscheinlich bis zu drei Wochen nach dem Schlaganfall, da sie die Neuvernetzung der Zellen unterstützen. Theoretisch ist es denkbar, beide zelltherapeutischen Verfahren miteinander zu kombinieren, also die Anwendung von Knochenmarkzellen in der Frühphase und später die Applikation von neuralen Stammzellen. Dies muss jedoch in besonders darauf ausgerichteten Versuchen noch untersucht werden. Die Therapie mit Knochenmarkzellen wird voraussichtlich in ersten klinischen Studien an Patienten getestet.

Allogene Hirn-Mikroglia-Ersatztherapie

Das Einbringen fremder Spenderzellen per Stammzelltransplantation ins Gehirn kann eine hochwirksame Therapie bei verschiedensten Erkrankungen sein, birgt jedoch hohe Risiken. Bisherige Methoden erfordern eine hochtoxische Vorbehandlung und bergen erhebliche Risiken für die Patienten. Dieser Ansatz ist besonders relevant für genetische Erkrankungen, bei denen defekte Mikroglia eine entscheidende Rolle spielen, wie etwa bei lysosomalen Speicherkrankheiten im Kindesalter. Langfristig eröffnet sich damit auch für die Kinderonkologie eine neue Perspektive.

Neuroplastizität: Die Fähigkeit des Gehirns zur Selbstorganisation

Neuroplastizität ist die Fähigkeit des Gehirns, sich selbst zu reorganisieren, indem es neue neuronale Verbindungen bildet. Dies geschieht als Reaktion auf Lernen, Erfahrung oder nach Verletzungen. Oftmals führen schon kleinste Anpassungen und Mikrobewegungen zu bedeutenden Effekten. Kleine, bewusste Bewegungen können Großes bewirken.

Unser Gehirn besteht aus vielen Nervenzellen, die miteinander kommunizieren. Diese Kommunikation geschieht über neuronale Muster, also Netzwerke von Nervenzellen, die zusammenarbeiten. Manchmal können diese neuronalen Muster jedoch „maladaptiv“ werden. Wenn beispielsweise eine Verletzung oder eine chronische Erkrankung vorliegt, können sich maladaptive neuronale Muster entwickeln, die den Schmerz verstärken oder verlängern.

Durch gezielte Übungen und Therapien kann das Gehirn trainiert werden, neue, gesündere neuronale Muster zu entwickeln. In der Physiotherapie werden gezielte Bewegungen und Übungen genutzt, um dem Gehirn zu helfen, diese maladaptiven Muster zu ändern. Chronische Schmerzen können durch maladaptive neuronale Muster im Gehirn verursacht werden. Durch gezielte Übungen und Bewegungen können diese Muster verändert und Schmerzen reduziert werden. Eine Methode ist die Spiegeltherapie, bei der das Gehirn durch visuelle Reize neu trainiert wird.

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Tipps zur Förderung der Neuroplastizität

• Regelmäßige und bewusste Bewegungen: Setze Dir kleine Ziele, beginne mit einfachen Übungen und steigere Dich langsam.
• Achtsamkeit: Achte auf Deine Körperhaltung und Bewegungen im Alltag.
• Konsequenz: Kontinuität ist der Schlüssel.

Neuroplastizität bietet unglaubliche Möglichkeiten, die Heilungsprozesse des Körpers zu unterstützen. Durch kleine, gezielte Bewegungen und kontinuierliches Training können bedeutende Fortschritte erzielt werden.

Die erstaunliche Anpassungsfähigkeit des Gehirns

Unser Gehirn ist zu beachtlichen Umbaumaßnahmen fähig. Sowohl angeborene als auch später erworbene Schäden kann es bis zu einem gewissen Grad kompensieren oder gar reparieren. Dazu zählen auch so genannte »stille Hirninfarkte«, also kleine Schlaganfälle, die man zwar im Hirnscanner sehen kann, von denen die Patienten aber nichts spüren, weil das Gehirn sie unbemerkt ausbügelt.

Eine Studie der Neurowissenschaftlerin Dorit Kliemann und ihrem Team von der University of Iowa zeigte, dass Erwachsene, denen während ihrer Kindheit eine Hemisphäre entfernt worden war, kaum Unterschiede zu Kontrollprobanden mit vollständigem Gehirn aufwiesen. Dies verdeutlicht die erstaunliche Fähigkeit des Gehirns, sich anzupassen und Funktionen zu übernehmen, die normalerweise von den entfernten Arealen ausgeführt würden.

Die Rolle der neuronalen Plastizität nach einem Schlaganfall

Nach einem Schlaganfall ist das Gehirn zu einer erstaunlichen Leistung fähig: Es kompensiert den erlittenen Funktionsverlust, zumindest bis zu einem gewissen Grad. Dabei lernt unversehrtes Hirngewebe, die Aufgaben der zerstörten Neuronen zu übernehmen. Aus Erfahrung wissen wir, dass junge Gehirne schneller lernen als alte. Nach einem schwerwiegenden Ereignis wie einem Schlaganfall reaktiviert das Gehirn jugendliche Plastizitätsmechanismen. Es „verjüngt“ sich sozusagen, um Funktionsverluste durch eine gesteigerte Lernfähigkeit besser ausgleichen zu können. Das Zeitfenster ist jedoch begrenzt. Um in dieser therapeutisch wertvollen Phase nach einem Schlaganfall den Lernerfolg des Gehirns durch rehabilitative Therapien optimal fördern zu können, untersuchen Forscherinnen und Forscher die Grundlagen der neuronalen Plastizität.

Die Balance zwischen Erregung und Hemmung im Gehirn

Im Gehirn regulieren erregende und hemmende Nervenzellen die Aktivität neuronaler Schaltkreise. Im erwachsenen Gehirn schütten erregende Nervenzellen den Botenstoff Glutamat aus, der andere Neurone aktiviert. Hemmende Nervenzellen schütten dagegen Gamma-Amino-Buttersäure (GABA) aus, die die Aktivität anderer Neurone hemmt. Im jungen, sich noch entwickelnden Gehirn ist der aktivierende Botenstoff Glutamat noch unterrepräsentiert. Dafür wirkt GABA sowohl aktivierend als auch hemmend. GABA muss die Aktivität der Schaltkreise im sich entwickelnden Gehirn also zum Teil allein ausbalancieren.

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Forscher konnten erstmals am intakten Gehirn nachweisen, dass GABA in der frühen, plastischen Phase der Hirnentwicklung sowohl aktivierend als auch hemmend wirkt. Im Randbereich von Hirnschädigungen wurde eine verminderte Hemmung von Nervenzellen durch GABA beobachtet - quasi eine Rückkehr des Botenstoffs zu seiner aktivierenden Natur, welche die frühe und plastische Phase der Hirnentwicklung kennzeichnet.

Klinische Relevanz der Forschungsergebnisse

Die neuen Ergebnisse haben eine hohe klinische Relevanz. Sie erklären die Übererregbarkeit von Hirngewebe nach einem Schlaganfall und damit die epileptischen Anfälle, unter denen viele Schlaganfallopfer leiden. Bei einer zu frühen und zu intensiven Krankengymnastik kann diese Übererregbarkeit erlittene Funktionsverluste des Gehirns sogar verstärken.

Neurofeedback: Gehirntraining zur Wiedererlangung von Bewegungsfähigkeiten

Der Psychologe Josef Meekes untersucht das sogenannte Neurofeedback - eine Methode, die gelähmten Schlaganfallpatienten dabei helfen könnte, bestimmte Bewegungen wieder zu erlernen. Viele Schlaganfallpatienten haben Schwierigkeiten, selbstverständliche Bewegungen wie das Schließen einer Hand zur Faust auszuführen. Die halbseitige Lähmung der oberen Gliedmaßen zählt zu den häufigsten Beeinträchtigungen nach einem Gehirnschlag.

Meekes arbeitet an einer Methode, bei der Patienten erst einmal ihr Gehirn trainieren, um später auch ihre Gliedmaßen wieder kontrollieren zu können. Sie trägt den komplizierten Namen „Motor Imagery Neurofeedback Training“ und kombiniert die Bewegungsvorstellung mit Neurofeedback.

Wie funktioniert Neurofeedback?

Bei der Bewegungsvorstellung werden Bewegungen nur im Geiste ausgeführt, verbessern sich aber auch in Wirklichkeit. Das liegt daran, dass die Vorstellung einer Bewegung und die tatsächliche Ausführung die gleichen Areale im Gehirn aktivieren. Um zu kontrollieren, ob sich der Patient die gewünschte Bewegung richtig vorstellt, kombiniert Meekes das mentale Training mit Neurofeedback. Er zeichnet die Gehirnwellen der Patienten mittels eines Elektroenzephalogramms (EEG) auf. Ein Computerprogramm wertet die Daten aus und gibt durch ein Bildsignal eine Rückmeldung dazu, wie gut sie eine vorgegebene Aufgabe erledigt haben.

Die Probanden sitzen vor einem Bildschirm, während Elektroden die elektrische Aktivität ihres Gehirns messen. Auf dem Bildschirm erscheint ein Signal, das die Probanden auffordert, die entsprechende Hand im Geiste zur Faust zu ballen. Wenn sie das gut machen - was ein Computerprogramm anhand des EEGs erkennen kann - steigt ein Ball auf dem Bildschirm in Richtung des Signals. Je stärker die Vorstellung, desto höher steigt der Ball.

Meekes konnte bereits bestätigen, dass Bewegungsvorstellung und Neurofeedback nicht nur bei jungen, gesunden Testpersonen, sondern auch bei gesunden Älteren und Schlaganfallpatienten genügend starke EEG-Signale erzeugen. In einer Machbarkeitsstudie trainierten Patienten über vier Wochen jeden zweiten Tag eine halbe Stunde lang. Zumindest bei einer Teilnehmerin verzeichneten die Forscher danach eine deutliche Verbesserung ihrer motorischen Fähigkeiten.

Ziele der zukünftigen Forschung

Zukünftig will Meekes das Neurofeedback-Training alltagstauglich machen, indem er verstärkt auf die Nutzung und Optimierung mobiler EEG-Vorrichtungen setzt. Außerdem untersucht er, durch welche psychologischen Kniffe sich die Motivation der Probanden steigern lässt - insbesondere dann, wenn sich zunächst kein Trainingserfolg einstellt. Ein weiterer wichtiger Aspekt seiner Arbeit ist, das Training möglichst gut auf den jeweiligen Patienten zuschneiden zu können. Langfristig will Meekes in einer größeren Studie demonstrieren, dass das Neurofeedback-Training nach einem Schlaganfall tatsächlich dabei hilft, verlorene Bewegungsfähigkeiten wiederzuerlangen.

Machine Reading: KI für neue Heilungsmethoden

Wer an einer Krankheit leidet, findet im Netz womöglich Tausende von Studien und in den sozialen Medien eine Unzahl an persönlichen Erfahrungen - mehr, als ein Mensch je lesen kann. Hier wird das Machine Reading interessant.

Eine Million medizinischer Publikationen erscheinen pro Jahr im Netz. Eine Informationsflut, die ein Mensch kaum mehr lesen kann. Viele möglicherweise für die Medizin relevante Erkenntnisse könnten so übersehen werden. Roman Klinger von der Universität Stuttgart entwickelt deshalb Methoden des »machine reading«. Die künstliche Intelligenz soll Texte lesen, um unter anderem nach Publikationen über neue Behandlungsmethoden zu suchen oder soziale Netzwerke nach häufig erwähnten Nebenwirkung verschiedener medikamentöser Therapien zu durchsuchen. Der Computer wird dafür auf bestimmte Begriffe trainiert und soll auch Zusammenhänge und Wahrscheinlichkeiten erkennen. Anwendung findet diese Methode im Untersuchen von erfolgreichen Experimenten in präklinischen Studien, die zu neuen Heilungsmethoden führen sollen.

Entwicklung von Medikamenten gegen neurodegenerative Erkrankungen

Forschende des DZNE präsentieren eine neuartige Methode zur Wirkstoffprüfung, die bei der Entwicklung von Medikamenten gegen neurodegenerative Erkrankungen helfen könnte. Mit dieser Analysetechnik lässt sich im Labor untersuchen, ob potenzielle Wirkstoffe eine realistische Chance haben, ins Gehirn zu gelangen.

Die Blut-Hirn-Schranke als Herausforderung

Damit vom Blut keine Schadstoffe oder Krankheitserreger ins Gehirn gelangen, sind die Blutgefäße des Gehirns mit sogenannten Endothelzellen ausgekleidet: Sie bilden die Blut-Hirn-Schranke. Diese Zellschicht kann man sich wie einen Filter vorstellen, der das Gehirn vor Gefahren schützen soll. Test der Durchlässigkeit - Fachleute sprechen von Permeabilität - spielen deshalb bei der Entwicklung von Medikamenten gegen Hirnerkrankungen eine zentrale Rolle. Ziel solcher Analysen ist es, vielversprechende Substanzen im Labor zu identifizieren, lange bevor klinische Studien am Menschen stattfinden.

Ein neues Screeningverfahren

Das Verfahren der Bonner Forschenden ahmt die Blut-Hirn-Schranke besser nach als viele derzeit verwendeten Verfahren und ermöglicht realistische Vorhersagen zur Aufnahmefähigkeit von Wirkstoffen durch das Gehirn. Das Verfahren umfasst im Wesentlichen zwei Stufen:

1. Filterung des Wirkstoffs: Der zu prüfende Wirkstoff wird in wässriger Lösung durch eine technische Vorrichtung geleitet, die die Filterfunktion der Blut-Hirn-Schranke nachahmt. Anschließend wird eine Probe hinter dem Filter entnommen und geprüft, ob der Wirkstoff die Barriere durchdrungen hat.
2. Test auf Immunzellen: Die entnommene Flüssigkeit wird auf eine Zellkultur menschlicher weißer Blutkörperchen gegeben. Wenn die Flüssigkeit, die von der Filterapparatur stammt, entzündungshemmende Stoffe enthält, wird die klassische Immunantwort der weißen Blutkörpern gehemmt.

Herzstück des Ansatzes ist die „Filtervorrichtung“, die sich prinzipiell auch für Permeabilitätstest anderer Wirkstofftypen eignet. Ein wesentlicher Bestandteil der Hardware sind spezielle, etwa handgroße Kunststoffplatten, die für Experimente mit winzigen Flüssigkeitsmengen („Mikrofluidik“) kommerziell verfügbar sind. Diese Platten werden von einem Netzwerk haarfeiner Röhrchen durchzogen. In einige Bereiche dieses Kanalsystems bringen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des DZNE Endothelzellen ein, die die Innenwände der Kapillaren mit einer dichten Zellschicht bedecken. Auf diese Weise entstehen Gefäße, die menschlichen Hirngefäßen nachempfunden sind.

Vorteile des neuen Verfahrens

Die künstlichen Gefäße bilden ein Modell der menschlichen Blut-Hirn-Schranke, das der realen Situation recht nahekommt. Pro Platte können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler 40 solcher Gefäße herstellen, einzeln ansteuern und somit 40 Wirkstoffe gleichzeitig testen. Die Besonderheit des Versuchsaufbaus besteht jedoch darin, dass die Methode zur Untersuchung mehrerer hundert Proben in einem sogenanten High-Content-Screening Verfahren angewendet werden kann. Einsatzmöglichkeiten sehen die Forscher dort, wo es darum geht, aus einer kleineren Anzahl schon vorsortierter Wirkstoffkandidaten jenen herauszufinden, der die besten Chancen hat, das Gehirn in ausreichender Menge zu erreichen.

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