Neurologie Braunschweig: Forschungsschwerpunkte und Innovationen für die Gesundheit des Gehirns

Einführung

Die Neurologie in Braunschweig widmet sich der Erforschung und Behandlung von Erkrankungen des Nervensystems. Die Forschungsschwerpunkte reichen von der Grundlagenforschung zellulärer Mechanismen bis hin zur Entwicklung innovativer Therapieansätze für neurologische und neurodegenerative Erkrankungen. Dieser Artikel beleuchtet die vielfältigen Forschungsbereiche und die translationalen Bemühungen, die darauf abzielen, Erkenntnisse aus dem Labor in die klinische Praxis zu überführen.

Zelluläre Neurobiologie: Grundlagenforschung für das Verständnis von Lernen und Gedächtnis

Die Abteilung "Zelluläre Neurobiologie" untersucht die Mechanismen und biochemischen Prozesse, die Lern- und Gedächtnisvorgänge ermöglichen. Lernprozesse finden an identifizierbaren synaptischen Punkten statt, und es wurde nachgewiesen, dass bei der Aufrechterhaltung der Langzeitpotenzierung (LTP) neue Synapsen entstehen können, wodurch funktionelle in strukturelle Veränderungen übersetzt werden. Ein interessanter molekularer Kandidat, der diese Veränderung in der Funktion (Verstärkung der Synapse) in eine Strukturveränderung (Neubildung von Synapsen) übersetzt, ist der Nervenwachstumsfaktor BDNF (brain-derived-neurotrophic factor) und Neurotrophin-Rezeptoren, wie der TrkB- und der p75-Rezeptor. Eine weitere wichtige Erkenntnis der letzten Jahre besteht darin, dass auf molekularer Ebene die Proteine, die für neuronale Plastizität essentiell sind, auch zwischen ganz verschiedenen Tierarten konserviert wurden.

Experimentelle Neuroinfektiologie: Fokus auf Infektionen des Nervensystems im Alter

Die Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit klinisch relevanten Infektionen durch Bakterien und Pilze mit besonderer Berücksichtigung von Erkrankungen beim alten Menschen. Zu den Forschungsschwerpunkten gehören:

• In-vitro- und in-vivo-Versuche zur Verbesserung der Behandlung von durch Pneumokokken verursachten Meningitiden (EU-Projekt CAREPNEUMO).
• In-vitro- und in-vivo-Versuche zur Charakterisierung der Phagozytose von Bakterien durch Mikrogliazellen in Abhängigkeit vom Alter mit dem Ziel, die Infektionsresistenz des Gehirns gegenüber bakteriellen Infektionen zu steigern.
• In-vitro- und in-vivo-Versuche zur Charakterisierung des Potentials von Agonisten von Pattern recognition-Rezeptoren (z. B. Toll-like receptors, NOD2 receptors) als Prophylaxe gegen bakterielle Meningitis mit dem Ziel, die Infektionsresistenz des Gehirns gegenüber bakteriellen Infektionen zu steigern.
• Beeinflussung der Messergebnisse der Demenzmarker Abeta1-42 und Tau-Protein im Liquor cerebrospinalis durch bakterielle Kontamination.
• Entwicklung eines in-vitro- und in-vivo-Modells der Neuroborreliose.
• Neuropsychologische Spätschäden nach durchgemachter Neuroborreliose.
• Rolle des Aquaphorin4-Enzyms beim Normaldruckhydrozephalus.
• Pilzinfektionen im Alter.
• Besiedlung des Rachens durch Pneumokokken im Alter (EU-Projekt CAREPNEUMO).
• Neuropathologie der septischen Herdenzephalitis.

Neurodegenerative Erkrankungen: Erforschung von Ursachen und Mechanismen

Hauptmerkmale neurodegenerativer Erkrankungen sind die strukturellen und funktionellen Verluste von Nervenzellen. Dies führt zu verschiedenen neurologischen Dysfunktionen, die auch kognitive Fähigkeiten, wie Lern- und Gedächtnisvorgänge, beeinträchtigen. Wissenschaftler untersuchen die synaptische Plastizität im Hippocampus, der Gehirnregion für die Gedächtniskonsolidierung. Sie beobachten auch strukturelle Veränderungen der Synapsen bei Lernvorgängen: Spines, die Dornenfortsätze an den Dendriten der Nervenzelle, können bei aktivitätsabhängigen funktionellen Veränderungen - Lernvorgängen - nicht nur in ihrer Erscheinung, sondern auch in der Anzahl verändert werden. Gemeinsam mit Kooperationspartnern untersuchen Forscher die funktionelle und strukturelle Plastizität unter folgenden Gesichtspunkten:

• Wie beeinflussen Entzündungen im ZNS die Funktion von Neuronen und Gliazellen im Gehirn?
• Sind Infektionen eventuell nicht nur die Konsequenz, sondern auch die Ursache neurodegenerativer Erkrankungen?
• Wie verändern Entzündungen den Verlauf der Alzheimer Erkrankung?
• Wie kann die Entwicklung neurodegenerativer Erkrankungen beeinflusst werden?
• Welche Signalwege und Mechanismen sind in neurodegenerative Krankheiten involviert?

Nicht-invasive Hirnstimulation: Therapieansätze für neurologische Erkrankungen

Die Arbeitsgruppe forscht an Methoden zur nicht-invasiven Gehirnstimulation. Zu diesen zählen unter anderem die transkranielle Gleich- und Wechselstromstimulation als auch die transkranielle Magnetstimulation. Diese Methoden können zur Behandlung von verschiedenen Erkrankungen des Gehirns wie beispielsweise Depression, Demenz oder Fibromyalgie eingesetzt werden, indem sehr geringe elektrische Ströme möglichst gezielt in die erkrankten Bereiche des Gehirns oder in damit verbundene Neuronen-Netzwerke geleitet werden.

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Transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS)

Die transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) ist eine Methode zur nicht-invasiven Stimulation des Gehirns mit Hilfe sehr geringer elektrischer Ströme. Bei diesem Verfahren werden mindestens zwei Elektroden am Kopf des Patienten befestigt. Es wird zwischen anodaler und kathodaler Stimulation unterschieden, welche zu einer Erhöhung bzw. Verminderung der neuronalen Erregbarkeit führt (Marom Bikson). Bereits bei kurzer Stimulationsdauer (~10 min) lassen sich positive Effekte beobachten, welche elektrophysiologisch durch eine Depolarisierung oder Hyperpolarisierung der Nervenzellmembrane erklärt werden. Die erzielten Effekte können sich in Form einer erhöhten Leistung bei unterschiedlichsten Beanspruchungen des Gehirns (z.B. Gedächtnis, Aufmerksamkeit, Schnelligkeit) widerspiegeln, welche je nach Stimulationsdauer auch längere Zeit nach der Behandlung anhalten kann. Derzeit erforschen wir die Wirksamkeit von tDCS bei krebsbedingten Schmerzen und ihre kombinierte Wirkung mit Aufgabentraining zur Verbesserung der Fähigkeit zu Dual-Tasking bei gesunden älteren Menschen.

Transkranielle Wechselstromstimulation (tACS)

Es gibt sowohl das Einzelfrequenz- als auch das Kreuzfrequenz-tACS-Paradigma. Letzteres basiert auf der Überlagerung eines hochfrequenten Signals mit einem niederfrequenten Signal unter Verwendung der Phasen-Amplituden-Kopplung. Wie die tDCS bietet auch die tACS viele Möglichkeiten der Anwendung. Derzeit wendet das NBS-Labor tACS bei älteren Erwachsenen an, um ihre kognitiven Fähigkeiten zu verbessern und neurokognitive Störungen wie leichte kognitive Beeinträchtigungen, eine Vorstufe der Demenz, zu verhindern. Außerdem testen wir die Wirksamkeit von tACS zur Schmerzlinderung bei Krebspatienten und zur Verbesserung der Sehfunktion bei Patienten mit erheblicher Optikusatrophie aufgrund eines Glaukoms. Die Anwendungsbereiche dieser Technik sind ähnlich wie bei der Gleichstromstimulation weit gefächert. Das NBS Lab fokussiert sich derzeit auf den Einsatz von tACS zur Behandlung von kognitiven Erkrankungen wie z.B. mild cognitive impairment (MCI), dem Vorstadium der Demenz.

Transkranielle Rauschstromstimulation (tRNS)

Die transkranielle Rauschstimulation (tRNS) kann ebenfalls zur nicht-invasiven Stimulation des Gehirns angewendet werden und zeichnet sich durch einen im Hinblick auf die Amplitude und Frequenz randomisierten Stromfluss aus. Mittels dieser Technik können bestimmte Bereiche des Gehirns angeregt werden, wobei die genauen physikalischen Zusammenhänge noch nicht geklärt sind. Einige Ansätze zur Erklärung der möglichen Wirksamkeit beziehen sich auf die Interferenz mit kortikalen Rhythmen, auf hervorgerufene plastische Veränderungen oder auf die Verbesserung des signal-to-noise Verhältnisses (SNR) des zentralen Nervensystems, was zu einer verbesserten Sensorik führen kann. Das NBS Lab will die Wirksamkeit dieser Technik in Bezug auf verschiedene kognitive Erkrankungen in zukünftigen Studien untersuchen.

Transkranielle Magnetstimulation (TMS)

Die transkranielle Magnetstimulation (TMS) nutzt im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Methoden starke Magnetfelder zur nicht-invasiven Stimulation des Gehirns. Mit dieser Art der kontaktlosen Stimulation können elektrische Ströme im Gehirn induziert werden, wobei sowohl eine Erhöhung als auch eine Verminderung der kortikalen Erregbarkeit erzielt werden kann. Im Unterschied zu den Methoden der transkraniellen elektrischen Stimulationen (TES), kann die Anwendung von TMS intensitätsabhängig zur Erregung durch direkte Auslösung von Aktionspotentialen oder zur Hemmung durch Generierung einer Innervationsstille eingesetzt werden. Diagnostisch wird die Methode durch Stimulation des motorischen Kortex zur Untersuchung von motorisch evozierten Potenzialen (MEP) angewendet, welche Aufschluss über Erkrankungen des Gehirns und des Rückenmarks, wie z.B. Multiple Sklerose, geben. Therapeutisch wird TMS bzw. repetitive TMS (rTMS) eingesetzt, um die Aktivität der Großhirnrinde längerfristig zu verändern und somit beispielsweise Depressionen zu behandeln. Derzeit untersuchen wir die potenziellen kognitiven Vorteile der fronto-vagalen rTMS bei gesunden älteren Menschen und ihre Auswirkungen auf die Interaktion zwischen Herz und Gehirn. Derzeit wird im NBS Lab untersucht, wie wir motorisch evozierte Potentiale (MEPs) am Zwerchfell generiert und gemessen werden können. Die Entwöhnung beatmeter Patienten vom Beatmungsgerät (Weaning) ist nicht selten durch eine inaktivitätsbedingte Schwächung der Atemmuskulatur erschwert. Mit TMS können wir auch im sedierten Zustand die Funktion kortikospinaler Bahnen und der zugehörigen Atemmuskulatur evaluieren. Daher ist es Ziel unseres Projektes, TMS-induzierte MEPs von der Zwerchfellmuskulatur intubierter und beatmeter Patienten in der Phase von Entwöhnung vom Beatmungsgerät abzuleiten, um damit evtl. einen frühen prädiktiven Parameter für den Erfolg oder Misserfolg von Weaning versuchen zu etablieren (Dr. Ivan Chakalov und PD Dr. med. Caspar Stephani).

Laufende Studien und Projekte

Die Neurologie in Braunschweig ist aktiv an verschiedenen Studien und Projekten beteiligt, die darauf abzielen, die Behandlung neurologischer Erkrankungen zu verbessern. Einige Beispiele sind:

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• Kognitive Alterung und Herz-Hirn-Interaktion: Diese Studie untersucht, wie das kognitive Altern durch die Integration der Herz-Hirn-Interaktion verbessert werden kann. Die Herzfrequenzvariabilität (HRV) dient als entscheidender Index für die Herz-Hirn-Interaktion und die Dynamik des autonomen Nervensystems. Ziel ist es, die kognitive Leistung von Probanden mit kognitiven Beeinträchtigungen und normalem Altern durch frontal-vagale rTMS zu verbessern.
• NeuroVR-Plus: Dieses Projekt zielt darauf ab, tES mit kognitivem Training zu kombinieren, um die kognitiven Fähigkeiten älterer Menschen zu verbessern. Zu diesem Zweck wird in dieser Studie ein kognitives Training in der virtuellen Realität entwickelt, das speziell an die Bedürfnisse älterer Menschen angepasst ist. Zudem wird dieses Training adaptiv an die individuelle kognitive Belastung angepasst, die mittels Eye-Tracking während der VR-Anwendung gemessen wird, um einen optimalen Lerneffekt zu erzielen. Auch der genaue Stimulationsort wird individuell an die Anatomie der Person angepasst (anhand von MRT-Bildern und Simulationen der Ausbreitung der elektrischen Feldstärke).
• Auswirkungen von Theta tACS und anodaler tDCS auf den Gang und die kognitive Leistung: Ziel dieser Studie ist es, die Auswirkungen von Theta tACS und anodaler tDCS auf den Gang und die kognitive Leistung zu untersuchen. Wir setzen eine auf Neuromodulation basierende Methode zur Verbesserung der Dual-Task-Leistung bei gesunden älteren Menschen ein.
• tACS zur Reaktivierung des Restsehvermögens bei Optikusneuropathie: In dieser Studie wird untersucht, ob täglich tACS durchgeführt, um das Restsehvermögen bei Optikusneuropathie zu reaktivieren. Die neuen Aspekte dieser Studie sind die individuelle Modellierung des Stromflusses auf der Grundlage der Sehbehinderung und die Anwendung eines Stimulationsprotokolls mit vordefinierter Elektrodenmontage und Fixierung eines Ziels während des Experiments.
• FIBRO-ACCT: In der klinischen Studie FIBRO-ACCT werden wir Frauen mit der Diagnose Fibromyalgie rekrutieren, um die Auswirkungen der beschleunigten tDCS-Stimulation zu Hause auf Schmerzfaktoren, Lebensqualität und andere Fibromyalgie-assoziierte Symptome zu untersuchen.
• tES zur Schmerzlinderung und Verringerung der damit verbundenen Symptome bei Krebspatienten: Ziel der Studie ist es, die therapeutische Wirksamkeit dieser Methoden (15-tägige tägliche tES) im Hinblick auf die Schmerzlinderung und die Verringerung der damit verbundenen Symptome bei Krebspatienten zu testen.
• TMS zur Diagnose einer Zwerchfelldysfunktion bei beatmeten schwerkranken Patienten: TMS ermöglicht eine nicht-invasive und nicht-volitionelle Überprüfung der Integrität der kortikospinalen Bahn zur Atemmuskulatur. Daher zielt ein derzeit laufendes Projekt darauf ab, diese Methode zur Diagnose einer Zwerchfelldysfunktion bei beatmeten schwerkranken Patienten auf der Intensivstation der UMG einzusetzen.
• Mittel zur Verbesserung der kognitiven Fähigkeiten bei älteren Erwachsenen mit oder ohne kognitive Beeinträchtigung: Ziel dieser Studie war es, die Auswirkungen einer Kombination aus transkranieller Elektrostimulation und computergestütztem kognitivem Training zur Verbesserung der kognitiven Fähigkeiten bei älteren Erwachsenen mit oder ohne kognitive Beeinträchtigung zu untersuchen.

Kreativität und Innovation in der Neurologie

Um intelligente Lösungen für bekannte Probleme und neue Herausforderungen zu finden, muss man kreativ sein. Einen Großteil unserer täglichen Entscheidungen treffen wir aus bloßer Gewohnheit oder Routine. Und damit kommen wir auch ganz gut durch den Alltag - bis sich die Rahmenbedingungen verändern. Manchmal schneller und abrupter als uns lieb ist: seien es Neuerungen am Arbeitsplatz, digitale Herausforderungen oder veränderte Lebensumstände. Jeder kann lernen kreativ zu sein. Perspektivwechsel, Fehler zulassen und Dinge neu sortieren sind zum Beispiel Ratschläge aus seinem neuesten Buch: "Gute Idee!

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