Motorische Koordinationsstörungen, bekannt als Ataxien, stellen ein häufiges neurologisches Problem dar, das den Alltag der Betroffenen erheblich beeinträchtigt. Die Ursachen für Ataxien sind vielfältig, und die derzeitigen Behandlungsmöglichkeiten sind begrenzt. Daher besteht ein dringender Bedarf an neuen Therapieansätzen. Ein wichtiger Faktor bei der Entstehung von Ataxien ist die Veränderung der elektrischen Aktivität im Kleinhirn, was einen potenziellen Ansatzpunkt für Behandlungen bietet.
Neuroplastizität: Die Grundlage für Rehabilitation
Die Fähigkeit des Gehirns, sich ständig neu zu organisieren und das komplexe Netzwerk aus Nervenzellen veränderten Gegebenheiten dynamisch anzupassen, wird als Neuroplastizität bezeichnet. Dieser Prozess ermöglicht es Nervenzellen, sich neu zu organisieren und geschädigte Funktionen zu kompensieren. Nach einer Hirnschädigung, wie einem Schlaganfall, ist die Neuroplastizität von großer Bedeutung für die Wiederherstellung verlorener Funktionen.
Transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) als Therapieansatz
Nicht-invasive Hirnstimulationsverfahren, wie die transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS), können langfristig die Erregbarkeit von Nervenzellen verändern. Bei der tDCS wird ein schwacher Gleichstrom über einem Hirnareal, beispielsweise dem Kleinhirn, appliziert. Die Stimulation des Großhirns hat sich bei der Reduktion motorischer Defizite nach einem Schlaganfall bewährt. Für die Stimulation des Kleinhirns liegen bisher jedoch nur vereinzelte Ergebnisse vor, die eine Verbesserung des motorischen Lernens bei gesunden Personen zeigen. Die Übertragbarkeit dieser Ergebnisse auf Patienten mit Ataxien ist noch unklar.
Forschungsprojekt zur tDCS-Anwendung bei Spinozerebellärer Ataxie Typ 6 (SCA6)
Um die Anwendung der tDCS zur Behandlung von Kleinhirnerkrankungen zu ermöglichen, ist eine genaue Kenntnis der Wirkungsweise der tDCS auf das gesunde und erkrankte Kleinhirn erforderlich. Ein aktuelles Forschungsprojekt setzt hier an. In Kooperation mit dem Lehrstuhl für Allgemeine Zoologie und Neurobiologie der Ruhr-Universität Bochum wird ein Mausmodell zur Spinozerebellären Ataxie Typ 6 (SCA6), einer erblichen Ataxie, untersucht. Parallel dazu werden Patienten mit SCA6 in einer klinischen Studie untersucht.
Ziel des Projekts ist es, herauszufinden, ob sich mit einem in Vorstudien optimierten tDCS-Stimulationsprotokoll bekannte Probleme bei Patienten mit SCA6 verbessern lassen und ob die Effekte über den Zeitpunkt der Stimulation hinaus anhalten. Die Auswirkungen auf die elektrische Aktivität des Kleinhirns werden anhand der sogenannten Cerebellar Brain Inhibition (CBI) untersucht, einer Messgröße für die Stärke der natürlichen Regulation des Großhirns durch das Kleinhirn. Die CBI wird durch einen gepaarten Magnetimpuls (mittels transkranieller Magnetstimulation; TMS) über dem Klein- und Großhirn erzeugt und ist bei Patienten mit SCA6 vermindert oder gar nicht nachweisbar. Die Verhaltenseffekte werden anhand der klassischen Blinkreflex-Konditionierung untersucht. Diese dient als einfaches Modell für motorisches Lernen und ist bei Patienten mit SCA6 erheblich beeinträchtigt.
Lesen Sie auch: Neuroplastizität: Eine detaillierte Betrachtung
Methodik der Studie
Die Studie umfasst zwei Experimente:
I. Erfassung der Erregbarkeitsveränderungen des motorischen Kortex (CBI) durch Doppelpuls-TMS:
- Die aktive Elektrode wird über der rechten zerebellären Hemisphäre platziert, die Referenzelektrode über dem rechten Musculus buccinator.
- Stimulationsparameter: Elektrodengröße 25 cm², Stimulationsintensität 2 mA, Stimulationsdauer 20 Minuten, Verblindung durch topische Applikation von Emla Creme (Lidocain 2,5 % und Prilocain 2,5 %) an den Stellen der Elektrodenplatzierung.
- Es werden motorisch evozierte Potentiale (MEP) über dem Musculus abductor digiti minimi des primär motorischen Kortex und assoziierte zerebelläre TMS erfasst.
- Jeweils 5-mal 15 Einzel- und Doppelimpuls-MEPs werden unmittelbar vor und nach tDCS sowie eine und zwei Stunden nach tDCS mit fünf verschiedenen Intensitäten der Stimulation (-5, -10, -15, -20, und -25% unterhalb der Hirnstammschwelle) induziert.
- Zusätzlich werden klinische Parameter jeweils vor und nach der Session mittels etablierter Ataxie-Skalen (Scale for the Assessment and Rating of Ataxia = SARA und SCA Functional Index = SCAFI) erhoben.
- Primärer Test ist eine mixed model ANOVA mit den Messwiederholungsfaktoren tDCS-Protokoll, Konditionierungsstimulationsintensität und Zeitverlauf sowie dem Inter-Probanden-Faktor Gruppe (Patienten vs. Kontrollen). Abhängige Variable ist die MEP-Amplitude, der SARA und SCAFI Score.
II. Untersuchung der Blinkreflex-Konditionierung:
- Jeder Proband durchläuft 3 Sitzungen von etwa 2,5 Stunden Dauer.
- Ein Delay-Blinkreflex-Konditionierungsparadigma wird entsprechend der etablierten Protokolle durchgeführt.
- Als konditionierter Stimulus (CS) fungiert ein Ton, als unkonditionierter Stimulus (US) ein Luftstoß.
- Unkonditionierte Reaktion (UR) und konditionierte Reaktion (CR) werden mittels Oberflächen-EMGs (EMG = Elektromyographie)abgeleitet.
- Applikation von 100 CS-US (Akquisition) und 30 CS (Extinktion) Stimuli.
- Induktion von Neuroplastizität mittels erregbarkeitserhöhender anodaler und erregbarkeitsvermindernder kathodaler tDCS bzw. Sham-Stimulation entsprechend o.g. Protokoll an Tag 1.
- Erfassung der Veränderung der Konditionierungseffektivität des Blinkreflexes während tDCS.
- Zusätzlich werden klinische Parameter jeweils vor und nach der Konditionierungs-Session mittels etablierter Ataxie-Skalen (SARA und SCAFI) erhoben.
- Primärer Test ist eine mixed model ANOVA mit dem Messwiederholungsfaktor Zeitverlauf am Untersuchungstag und über die Untersuchungstage, sowie den Inter-Probanden-Faktoren tDCS-Protokoll und Gruppe (SCA6 vs. Kontrollen). Abhängige Variable ist die CR-Inzidenz, SARA und SCAFI-Scores.
15 gesunde und im Alter vergleichbare Kontrollen erhalten in den Experimenten I und II jeweils die gleiche Intervention wie die Patienten. Medizinische und neurologische Untersuchung zum Ausschluss von Vorerkrankungen bei Kontrollen .
Forschungsgruppe MeMoSLAP zur Gleichstromstimulation des Kleinhirns
Ein weiteres vielversprechendes Forschungsvorhaben ist die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderte Forschungsgruppe MeMoSLAP*/FOR 5429. Diese Gruppe, unter der Leitung von Prof. Dr. Agnes Flöel, untersucht die individuellen Effekte der Gleichstromstimulation des Kleinhirns, um die experimentellen und klinischen Anwendungen der Gleichstromstimulation zu verbessern. Ein wichtiger Fokus liegt dabei auf der individuellen Kleinhirnanatomie als Ursache für die variablen Effekte der Stimulation. Die Universitätsmedizin Essen wird in diesem Projekt die Blinkreflex-Konditionierung verwenden, um die Effekte der Gleichstromstimulation des Kleinhirns zu untersuchen.
Tiefe Hirnstimulation (THS) als neuer Ansatz
Neben der tDCS wird auch die Tiefe Hirnstimulation (THS) als möglicher Therapieansatz bei Kleinhirnerkrankungen erforscht. In einer Phase-I-Studie wurde erstmals bei 12 Menschen erfolgreich eine tiefe Hirnstimulation von Kleinhirnregionen eingesetzt, um über bestimmte Signalwege die funktionelle Reorganisation der betroffenen Hirnrinde zu modulieren. Die kontinuierliche elektrische Stimulation eines Nervenzellgebiets im Kleinhirn, des Nucleus dentatus cerebellaris (DN), soll die neuronale Aktivität und kortikale Erregungsfähigkeit modulieren.
In der Studie verbesserte sich die motorische Armfunktion bei allen Teilnehmenden mit DN-THS im Median um +7 FM-UE-Punkte. Eine Post-hoc-Analyse zeigte speziell bei Teilnehmenden mit initialer Restfunktion der Armmotorik signifikante Verbesserungen (median +15 Punkte; p=0,0005) - unabhängig davon, wie lange der Schlaganfall zurücklag.
Lesen Sie auch: Rehabilitation nach Schlaganfall durch Neuroplastizität
Neuroplastizität in der Raumfahrt
Auch in der Raumfahrtforschung spielt die Neuroplastizität eine wichtige Rolle. Studien haben gezeigt, dass sich das Gehirn von Astronauten in der Schwerelosigkeit verändert. Insbesondere das Kleinhirn zeigt einen Zuwachs an weißer Masse, was auf die Bildung neuer Nervenzellverknüpfungen hindeutet. Diese Neuroplastizität ermöglicht es den Raumfahrern, sich an die neue Umgebung anzupassen und die notwendigen motorischen Fähigkeiten in der Schwerelosigkeit zu erlernen.
Grenzen der Neuroplastizität und Bedeutung der Rehabilitation
Obwohl die Neuroplastizität eine bemerkenswerte Fähigkeit des Gehirns ist, gibt es auch Grenzen. Wie gut eine Funktion von anderen Regionen übernommen werden kann, hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie dem Ausmaß der Verletzung, dem Ort des Geschehens und dem zeitlichen Verlauf von Schädigung und Reha. Kleine Schäden können vom Gehirn oft gut kompensiert werden, insbesondere wenn sie langsam auftreten. Bei größeren Läsionen ist die Kompensation jedoch schwieriger.
Aktives Training und äußere Reize sind entscheidend, damit die Neuroplastizität effektiv genutzt werden kann. Die Rehabilitation der Zukunft könnte so aussehen, dass vor jeder Physiotherapie- oder Logopädieeinheit eine Magnetstimulation steht, um die Patientin oder den Patienten in einen lernfähigen Zustand zu versetzen. Auch Erholungsphasen sind wichtig, da guter Schlaf die Neuroplastizität ebenfalls verbessert.
Lesen Sie auch: Einführung in die Neuroplastizität
tags: #neuroplastizitat #kleinhirn #cerebellum #wachsen