Psychische Erkrankungen stellen in der Europäischen Union eine wachsende Herausforderung dar, wodurch der Bedarf an effektiven Behandlungen stetig steigt. Ein besonderes Augenmerk gilt der Epilepsie, deren Behandlungsmöglichkeiten durch innovative Forschungsansätze erweitert werden sollen. Schallwellen, insbesondere Ultraschall, rücken dabei zunehmend in den Fokus. Dieser Artikel beleuchtet aktuelle Forschungsprojekte und Technologien, die das Potenzial von Schallwellen in der Epilepsiebehandlung und im Verständnis der neurologischen Grundlagen der Erkrankung untersuchen.
Die Herausforderungen bei der Behandlung psychischer Erkrankungen
Die Schizophrenie, von der etwa ein Prozent der Weltbevölkerung betroffen ist, verdeutlicht die Grenzen der derzeitigen therapeutischen Möglichkeiten. Ein erheblicher Teil der Patienten (30 bis 50 Prozent) zeigt nur eine unzureichende Reaktion auf vorhandene Medikamente. Dies unterstreicht die Notwendigkeit neuer, innovativer Therapieansätze, die auf einem tieferen Verständnis der zugrunde liegenden neuronalen Mechanismen basieren.
Europäische Forschungsprojekte zur Therapieoptimierung
Ein von der Europäischen Kommission mit 10 Millionen Euro gefördertes, vierjähriges Projekt unter Beteiligung des Jülicher Supercomputing Centre (JSC) zielt darauf ab, die Therapie psychischer Erkrankungen langfristig zu optimieren. Durch die Nutzung von Big Data, Multiskalenmodellen und Hochleistungscomputern sollen personalisierte Modelle erstellt werden, die neuronale Mikroschaltkreissimulationen, mathematische Analysen, KI-Verfahren sowie Erkenntnisse aus der psychiatrischen Versorgung und klinischen Studien verbinden.
Das JSC unter der Leitung von Dr. Sandra Diaz und Wouter Klijn ist für die Gestaltung der notwendigen Computer-Infrastruktur verantwortlich, die Forschenden für die Berechnung ihrer virtuellen Modelle dient. Die Plattform „Virtual Brain Twin“ soll zunächst Neurowissenschaftlern, klinischen Forschern und mathematischen Modellierern zugänglich sein. Zukünftig ist geplant, auch Ärzten und Patienten Zugriff zu gewähren, um bessere Behandlungsergebnisse zu erzielen.
Dieses Projekt ist in die europäische Forschungsinfrastruktur für digitale Neurowissenschaften EBRAINS eingebettet. EBRAINS ist eine kollaborative Plattform, die es Wissenschaftlern ermöglicht, die Komplexität des Gehirns auf verschiedenen Ebenen mit digitalen Methoden und Analysewerkzeugen zu erforschen und neues Wissen in medizinische und technologische Anwendungen umzusetzen. Die Infrastruktur bietet eine breite Palette von Gehirn-Datensätzen, einen mehrstufigen Gehirnatlas, Modellierungs- und Simulationswerkzeuge sowie Zugang zu Rechenressourcen auf Supercomputern und neuromorphen Plattformen.
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Ultraschall-Technologien in der Neurostimulation
Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Biomedizinische Technik IBMT arbeiten an einer nicht-invasiven Neurostimulation der Gehirnareale auf Basis von Ultraschall. Ein spezieller Applikator (Schallkopf) wird über ein flexibles Pad auf den Kopf gesetzt. Die Ultraschallsignale sind von so niedriger Intensität, dass sie das Zellgewebe nicht schädigen, lassen sich aber durch eine 3D-Steuerung des Schallstrahls (3D-Beam-Steering) sehr genau fokussieren.
Diese Technologie könnte zukünftig für die Therapie verschiedenster neurologischer Erkrankungen wie Epilepsie oder zur Behandlung der Folgen von Schlaganfällen eingesetzt werden. Das Fraunhofer-Team hat einen Aufbau entwickelt, der es ermöglicht, die Ultraschallwellen auf einzelne Punkte im Gehirn zu richten und sie auch dann gezielt anzusprechen, wenn sie tief im Gewebe liegen.
Dafür wurde ein spezieller Schallkopf mit 256 Einzelelementen, ein Ultraschalltransducer, entwickelt. Jedes der 256 Einzelelemente des Schallwandlers lässt sich einzeln ansteuern. Durch eine individuelle Ansteuerung der 256 elektronischen Kanäle wird die Ultraschall-Behandlung 3D-fähig. Die schachbrettartig angeordneten Elemente des Schallwandlers bestrahlen das gewünschte Gehirnareal aus unterschiedlichen Winkeln. Daher kann der Fokus, also der Punkt, an dem sich die Strahlen treffen, auf eine bestimmte Tiefe im Gehirngewebe gesetzt werden.
Die Forscher arbeiten derzeit an einer weiteren Erhöhung der Genauigkeit, indem sie zwei Ultraschalltransducer gleichzeitig einsetzen und die Schallstrahlen dynamisch im Zielareal kreuzen. Die Kombination aus einem sehr kleinen Fokus zwischen drei und fünf Millimetern und nahezu beliebiger Platzierung des Fokus in der Tiefe des Gehirns schafft die Möglichkeit zielgerichteter und gleichzeitig schonender Modulation der Gehirnareale. Die Ultraschallfrequenzen bewegen sich im niederfrequenten Bereich unter 1 MHz, beispielsweise bei etwa 500 kHz.
Vor dem Aufsetzen des Pads mit dem Ultraschall-Modul auf den Kopf muss lediglich ein Kontaktgel in das Haar einmassiert werden. Die für die Planung nötigen Daten erhält die Software aus den Ergebnissen einer Magnetresonanztomografie des Patienten. Darin werden die für die jeweilige neuronale Erkrankung verantwortlichen Gehirnareale und deren Position markiert. Die Markierungen fließen in einen Datensatz ein, der in die Steuerungssoftware eingespeist wird. Mit diesen Positionsdaten lassen sich die Ultraschallsignale exakt ausrichten.
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Es ist darüber hinaus möglich, das Ultraschallgerät so zu programmieren, dass die Strahlen in einer vordefinierten Sequenz gesendet werden oder bestimmten Bewegungsmustern folgen. Damit könnten die Ärzte in Zukunft alle Parameter individuell für den Menschen festlegen.
Fokussierter Ultraschall (HiFUS) als nicht-invasive Behandlungsmethode
Fokussierter Ultraschall (HiFUS), auch bekannt als hochintensiver Ultraschall, ist eine moderne, nicht-invasive Behandlungsmethode für Erkrankungen des Gehirns. Dabei werden Schallwellen gebündelt und präzise auf einen bestimmten Bereich im Gehirn gerichtet. Die Wärme, die dadurch entsteht, führt zu einer kontrollierten, präzisen und dauerhaften Deaktivierung der Nervenzellen im Zielbereich, der nur wenige Millimeter durchmisst.
Es ist jedoch zu beachten, dass zunächst nur einseitige Behandlungen durchgeführt werden. Patienten, die keine MRT-Untersuchung bekommen können oder Sprachprobleme haben, die die Kommunikation bei der Behandlung behindern, sind für diese Behandlungsmethode nicht geeignet.
Erwartungen an die Ultraschall-Behandlung
Ärzte erwarten von der Ultraschall-Behandlung bei Erkrankungen wie Parkinson und Epilepsie zwar keine vollständige Heilung, aber zumindest eine spürbare Linderung der Symptome. Zudem stellt Ultraschall eine vielversprechende Alternative zu klassischen Medikamenten dar. Langfristig sind mit der neuen Technologie auch Szenarien wie das Lösen von Plaque in den Gehirnzellen bei Alzheimer-Erkrankungen oder die Behandlung von Depressionen und neuronal bedingten Suchterkrankungen denkbar.
Die Rolle der Hirnaktivität bei neurologischen Erkrankungen
Die elektrische Aktivität von rund 86 Milliarden Nervenzellen ist die Grundlage für die Fähigkeiten des Gehirns. Entsprechend hängen Erkrankungen wie Parkinson, Epilepsie oder Tremor von der Signalverarbeitung und dem Zusammenspiel der Nervenzellen ab. Seit Jahrzehnten versuchen Forschende daher, neurologische Erkrankungen durch elektrische oder elektromagnetische Stimulation der entsprechenden Gehirnareale zu therapieren.
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Methoden wie die Stimulation mittels von außen angelegter Magnetfelder bringen aufgrund der relativ geringen Präzision, mit der sie einwirken, derzeit noch keine optimalen Ergebnisse. Das operative Platzieren von Elektroden im Gehirn ist dagegen sehr riskant.
Neue Erkenntnisse über die Sprachverarbeitung im Gehirn
Bei der Messung von Hirnsignalen haben Forscher einen neuen Weg der Sprachverarbeitung entdeckt. Die Ergebnisse stellen den bisherigen Kenntnisstand auf den Kopf. Bisher ging man davon aus, dass akustische Reize schrittweise verarbeitet werden, wobei der Schläfenlappen erst nach dem primären Hörzentrum reagiert.
Eine Studie um Liberty Hamilton von der University of California hat jedoch gezeigt, dass Nervenzellen in der oberen Windung des Schläfenlappens zeitgleich mit solchen im primären Hörzentrum feuern. Zudem verstanden die Teilnehmer die Sätze weiterhin problemlos, als einige Nervenbündel der primären Hörrinde stimuliert wurden.
Diese Beobachtungen legen den Schluss nahe, dass unsere Sprachverarbeitung anders funktioniert als bisher angenommen. Statt Laute wie am Fliessband seriell zu Wörtern und Sätzen zusammenzusetzen, scheint das Gehirn Hörreize in verschiedenen Regionen parallel zu verarbeiten.
Künstliche Intelligenz und Hörgeräte
Hirnforscher arbeiten an Lösungen für das sogenannte Cocktailparty-Problem, bei dem es für Menschen mit Hörschwierigkeiten oft unmöglich ist, einzelnen Gesprächen in einem Stimmengewirr zu folgen. Die Idee ist, Hörgeräte mit künstlicher Intelligenz auszustatten, die einzelne Stimmen für den Nutzer herausheben und erkennen, auf welche der Stimmen das Gehirn gerade seine Aufmerksamkeit richtet, um diese Stimme dann gezielt zu verstärken.
Ein neuartiger Algorithmus, der in Echtzeit arbeitet, kann Sprachsignale, in denen alle Stimmen enthalten sind, in einen viel-dimensionalen Raum übertragen, in dem die einzelnen Stimmen unterscheidbar werden. Zudem können selbstlernende Algorithmen aus den Hirnstrommustern erkennen, welchen Klängen beziehungsweise welcher Stimme das Gehirn gerade seine Aufmerksamkeit widmet.
Versuche mit Probanden haben gezeigt, dass das System anhand der Hirnstrommuster erkennen kann, welcher Stimme die Aufmerksamkeit gilt, und entsprechend das Lautstärkeverhältnis der Stimmen zueinander anpassen kann.
Genetische Ursachen von Epilepsie
Wissenschaftler haben eine Genveränderung für eine seltene Epilepsievariante gefunden. Die Betroffenen hören vor einem Anfall nicht vorhandene Geräusche wie Musik oder Maschinenlärm. Wissenschaftler um Ruth Ottman von der Columbia University in New York berichten, dass eine Mutation in einem LGI1 genannten Gen diese Krankheit auslöst.
Die ungewöhnlichen Symptome der ADPEAF genannten Epilepsieart weisen darauf hin, dass eine Störung in einem für die Geräuschwahrnehmung zuständigem Gehirngebiet im Frontallappen vorliegt. Die genaue Funktion des LGl1-Gens ist unbekannt. Die Forscher vermuten aber, dass es für die Gehirnentwicklung notwendig ist. Die Krankheit wird autosomal-dominant vererbt.
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