Der Schlaganfall stellt in Europa die häufigste Ursache für dauerhafte Behinderungen dar und ist mit erheblichen Auswirkungen für die Betroffenen und die Gesellschaft verbunden. Motorische Defizite sind ein führendes Symptom bei Schlaganfallpatienten und betreffen über zwei Drittel aller Betroffenen. Während sich einige Patienten von anfänglich schweren Lähmungen gut erholen, behalten andere ein permanentes Defizit, das zu erheblichen Einschränkungen im Alltag führt. Die Ursachen für diese unterschiedlichen Erholungsverläufe sind noch nicht vollständig geklärt.
Neuronale Plastizität und Reorganisation nach Schlaganfall
Eine fundamentale Eigenschaft des Gehirns ist seine strukturelle und funktionelle Anpassungsfähigkeit an innere und äußere Einflüsse, die neuronale Plastizität. Diese Fähigkeit ermöglicht es dem Gehirn, Nervenkontakte zu knüpfen, um neue Gedächtnisinhalte abzuspeichern, und ist eine Grundvoraussetzung für die Wiederherstellung motorischer, sprachlicher oder kognitiver Fähigkeiten nach einer Hirnschädigung. Bereits in den ersten Wochen nach einem Schlaganfall kann es zu einer deutlichen Besserung neurologischer Ausfallssymptome kommen. Funktionelle Bildgebungsmethoden wie die fMRT (funktionelle Magnetresonanztomographie) ermöglichen es, Veränderungen der Hirnaktivität und Konnektivität, die der Funktionswiederherstellung zugrunde liegen, nicht-invasiv zu messen.
Veränderungen der Hirnaktivität in beiden Hemisphären
Eine fMRT-Studie konnte zeigen, dass die frühzeitige Erholung von einer Handlähmung mit spezifischen Änderungen der Hirnaktivität in beiden Hemisphären einhergeht. Insbesondere schwer betroffene Patienten zeigten mit zunehmender Erholung eine stetige Aktivitätszunahme motorischer Areale der gesunden Hemisphäre bei Bewegungen der gelähmten Hand. Da diese Aktivitätsänderungen zeitlich mit einem deutlichen Abstand zum Schlaganfall auftraten, handelt es sich um ein Phänomen der synaptischen Plastizität, das eine Umorganisation von Hirnaktivität unter Einbeziehung der gesunden Hemisphäre ermöglicht. Diese Überaktivität ist jedoch meist nur vorübergehend und klingt bei erfolgreicher Funktionserholung Monate nach dem Schlaganfall wieder ab.
Konnektivitätsanalysen zur Untersuchung von Hirnnetzwerken
Die Bedeutung der Überaktivität von Arealen der gesunden Hemisphäre für die Funktion der gelähmten Hand kann durch eine reine Aktivierungsanalyse nicht geklärt werden. Neuartige Konnektivitätsanalysen ermöglichen eine detailliertere Untersuchung der funktionellen Vernetzung von Hirnregionen. Der Begriff „Konnektivität“ beschreibt die strukturelle oder funktionelle Vernetzung von Hirnregionen. Modelle der effektiven Konnektivität erlauben eine kausale Beschreibung von Wechselwirkungen zwischen Hirnregionen nach Schlaganfall. So konnte gezeigt werden, dass unmittelbar nach Auftreten einer Schlaganfall-bedingten Lähmung das Zusammenspiel motorischer Areale auch fernab der Hirnläsion schwer gestört ist. Mit zunehmender Erholung der motorischen Funktionen der Patienten erholte sich die Konnektivität sowohl innerhalb als auch zwischen den Hirnhälften. Interessanterweise findet sich nach zwei Wochen ein unterstützender Einfluss der gesunden Hemisphäre bei der Durchführung von Bewegungen der gelähmten Hand, der jedoch nur vorübergehend ist und nach vier Monaten nicht mehr nachweisbar ist. Insgesamt scheint der vollständige Wiedergewinn motorischer Fähigkeiten weniger auf der Rekrutierung zusätzlicher Hirnregionen als vielmehr auf der Wiederherstellung der ursprünglichen Netzwerkstruktur zu beruhen.
Fehlgeleitete Reorganisation als Ursache für anhaltende Defizite
Bei einigen Patienten könnte die Ursache eines anhaltenden motorischen Defizits nicht nur in dem Schlaganfall-bedingten Untergang von Hirngewebe liegen, sondern auch in einer unzureichenden oder sogar fehlgeleiteten Reorganisation fernab der primären Hirnläsion. Dies zeigt sich in der fMRT in einer persistierenden Überaktivität der gesunden Hemisphäre auch Monate und Jahre nach dem Schlaganfall-Ereignis.
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Neuromodulative Verfahren zur Verbesserung motorischer Fähigkeiten
Neuromodulative Verfahren zielen darauf ab, motorische oder kognitive Fähigkeiten durch Manipulation der ihnen zugrunde liegenden funktionellen Hirnnetzwerke zu beeinflussen.
Pharmakologische Stimulation
Ein neuromodulativer Ansatz zur Verbesserung motorischer Fähigkeiten besteht in der pharmakologischen Stimulation von Nervenzellen über bestimmte Rezeptormoleküle. Tierexperimentelle Studien haben gezeigt, dass die Stimulation des Noradrenalin-Systems zu einem verbesserten Signal-zu-Rausch-Verhältnis im Entladungsmuster kortikaler Nervenzellen führt und somit die Informationsübertragungseffizienz in einem Hirnnetzwerk erhöht. Bei Patienten mit Hirnläsionen ist die Effizienz kortikaler Netzwerke meist herabgesetzt, sodass hier eine pharmakologische Stimulation zu einer Verbesserung der kortikalen Informationsverarbeitung und somit zu einer Verringerung von neurologischen Ausfallssymptomen führen könnte. Die Erhöhung der Noradrenalin-Konzentrationen durch Gabe des Medikaments Reboxetin führt tatsächlich zu Verbesserungen basalmotorischer Fähigkeiten wie Griffkraft und Fingertipp-Geschwindigkeiten der gelähmten Hand. Mithilfe der fMRT und Konnektivitätsanalysen konnte gezeigt werden, dass es unter Reboxetin im Vergleich zu Placebo zu einer Verringerung der pathologischen Hirnaktivität kommt. Gleichzeitig wird die Kopplung motorischer Areale in der geschädigten Hemisphäre verstärkt, insbesondere zwischen dem Handareal der geschädigten Hemisphäre (primär motorischer Kortex, M1) und dem supplementär motorischen Areal (SMA), das an der Steuerung von Willkürbewegungen beteiligt ist.
Repetitive transkranielle Magnetstimulation (rTMS)
Ein weiterer Ansatz der nicht-operativen Neuromodulation besteht in der gezielten Stimulation kortikaler Areale. Die repetitive transkranielle Magnetstimulation (rTMS) ist ein schmerzfreies, nicht-invasives Verfahren, mittels dessen ultrakurze Magnetimpulse durch die Schädeldecke auf die Hirnrinde appliziert werden und somit die Erregbarkeit von Nervenzellen beeinflusst werden kann. Ein solches Verfahren kann also eingesetzt werden, um eventuelle hemmende Einflüsse der gesunden Hemisphäre nach Schlaganfall herabzuregulieren. Mithilfe der funktionellen Bildgebung konnte nachgewiesen werden, dass die Anwendung eines hemmenden rTMS-Protokolls über der motorischen Hirnrinde (Motokortex) der gesunden Hemisphäre von Schlaganfall-Patienten in der Tat zu einer Normalisierung krankhafter Überaktivität und einer Verbesserung der Fähigkeiten der gelähmten Hand führt. Hierbei kam es nicht nur zu einer Reduktion des pathologischen Einflusses des gesunden Hemisphäre auf den Motokortex der geschädigten Hemisphäre, sondern auch zu einer Normalisierung zuvor pathologisch reduzierter Kommunikation zwischen Hirnregionen.
Eine Alternativstrategie zur Verbesserung der Netzwerkstruktur von Schlaganfall-Patienten besteht in der Behandlung der geschädigten Hemisphäre. Hier zeigte die Analyse der motorischen Verhaltensparameter, dass nach einer hochfrequenten, die Erregbarkeit steigernde rTMS über dem Motokortex der geschädigten Hemisphäre die Fähigkeiten der gelähmten Hand verbessert werden können. Jedoch profitieren nicht alle Patienten von der rTMS-Behandlung. Bei Patienten mit direkter Schädigung der motorischen Hirnrinde bewirkt eine solche Stimulation sogar eine vorübergehende Verschlechterung der gelähmten Hand. Auf neuraler Ebene zeigte sich bei diesen Patienten nach der rTMS-Behandlung eine deutliche Zunahme der pathologisch gesteigerten Aktivität beider Hemisphären. Dies könnte bedeuten, dass durch die Stimulation die bereits gestörte Funktion des Motokortex weiter kompromittiert wurde und so eine Gegenregulation in Arealen beider Hirnhälften hervorgerufen haben könnte.
Motor Cortex Stimulation (MCS)
Motor Cortex Stimulation (MCS) ist eine neuromodulatorische Therapie, bei der elektrische Impulse direkt an den motorischen Kortex des Gehirns abgegeben werden, um chronische Schmerzen zu behandeln. Diese Methode wird vor allem bei therapieresistenten neuropathischen Schmerzen und zentralen Schmerzsyndromen eingesetzt, die nicht auf herkömmliche Schmerzmittel oder andere Schmerzbehandlungsverfahren ansprechen. Bei MCS werden elektrische Impulse über implantierte Elektroden direkt in den motorischen Kortex abgegeben. Es wird vermutet, dass die Stimulation des motorischen Kortex:
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- Die Schmerzwahrnehmung im Gehirn beeinflusst, indem sie schmerzassoziierte Areale im Kortex moduliert.
- Endorphine und andere schmerzlindernde Substanzen freisetzt, die die Schmerzübertragung hemmen.
- Die Reorganisation von Gehirnnetzwerken fördert, was zu einer besseren Schmerzkontrolle führt.
MCS wird vor allem bei chronischen, neuropathischen Schmerzen und zentralen Schmerzsyndromen eingesetzt, wie z.B. Post-stroke Pain (Schmerzen nach einem Schlaganfall), spinale Schmerzsyndrome (Schmerzen im Zusammenhang mit Rückenmarksverletzungen), Schmerzen bei Multipler Sklerose und neuropathische Schmerzen, die nach einer Verletzung oder Schädigung des Nervensystems entstehen.
Bevor ein dauerhaftes Implantat eingesetzt wird, erfolgt eine Testphase, bei der Elektroden operativ unter der Schädelkalotte des Patienten gesetzt werden. Wenn die Testphase erfolgreich war, wird ein dauerhaftes Stimulationssystem implantiert. Dazu werden bereits implantierten Elektroden mit einem unter der Haut eingesetzten Stimulator verbunden. Das implantierte Gerät kann dann über eine Fernbedienung oder ein tragbares Steuergerät vom Patienten gesteuert werden, um die Impulsstärke und -frequenz der Stimulation je nach Bedarf anzupassen.
MCS kann zu langfristige Schmerzlinderung führen, den Medikamentengebrauchs reduzieren, minimalinvasiv sein und die Schmerzwahrnehmung verändern.
Bedeutung der funktionellen Bildgebung und Konnektivitätsanalysen
Der Einsatz funktionell bildgebender Verfahren ermöglicht in Kombination mit Konnektivitätsanalysen ein besseres Verständnis der physiologischen und pathologischen Zustände des motorischen Systems. Kortikale Reorganisationsmuster nach Schlaganfall können sich erheblich zwischen Patienten unterscheiden und stehen in engem Zusammenhang mit dem neurologischen Defizit in der Akutphase und dem funktionellen Outcome in der chronischen Phase.
Therapieinduzierte Plastizität im Motorkortex
Eine Studie untersuchte bewegungs- bzw. übungsinduzierter plastischer Veränderungen im Motorkortex bei Schlaganfallpatienten im subakuten Stadium. Die Patienten erhielten eine Woche lang konventionelle Physiotherapie und anschließend eine Woche Physiotherapie mit Forced use Therapie kombiniert. Dabei wurde die Fokale Transkranielle Magnetstimulation genutzt, um das kortikale Repräsentationsareal des M. abductor pollic. brevis im Motorkortex darzustellen- und zwar vor dem Training, nach der ersten und nach der zweiten Therapiewoche. Veränderungen in der Motorik wurden mittels Nine-Hole-Peg Test, Frenchay Arm Test und vigorimetrischer Messung der Handkraft festgehalten. Vor Trainingsbeginn war das kortikale Repräsentationsareal des paretischen Handmuskels im Vergleich zur gesunden Seite signifikant kleiner- das blieb auch nach der ersten Trainingswoche unverändert. Dagegen vergrößerte sich dieses Areal in der betroffenen Hemisphäre nach einer Woche Physiotherapie und Forced use Therapie signifikant. Diese verbesserte Erregbarkeit des Motorkortex war begleitet von einer signifikanten Besserung der motorischen Funktion. Nach den beiden Trainingswochen hatte sich der Arealschwerpunkt der betroffenen Hemisphäre im Vergleich zur gesunden Seite signifikant verschoben, was auf eine Einbeziehung benachbarter Hirnareale zurückzuführen sein könnte. Es ist zu schlußfolgern, daß die Kombination von Forced use Therapie und konventioneller Physiotherapie die Erregbarkeit des Motorkortex und die motorische Funktion besser fördern als konventionelle Physiotherapie allein. Dieser Effekt ist am ehesten auf den häufigeren Einsatz der paretischen Hand zurückzuführen.
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Transkranielle Magnetstimulation (TMS) als Behandlungsmethode
Die Transkranielle Magnetstimulation ist ein schmerzfreies Therapieverfahren. Eine TMS-Behandlungssitzung dauert bis zu 30 Minuten. Die TMS-Therapie kann eine Verbesserung von Schlaganfallsymptomen begünstigen; vorrangig die Funktionsfähigkeit von Armen und Händen. In wenigen Fällen können leichte Kopfschmerzen nach der Behandlung auftreten. Derzeit wird die Behandlung nicht regelhaft von den Krankenkassen erstattet, da es sich um eine neuartige Therapiemethode handelt. Eine sichere Vorhersage, ob ein Patient auf die TMS-Behandlung anspricht, ist nicht möglich. Durch die TMS-Ambulanz wird zunächst eine umfassende Untersuchung durchgeführt. So kann eine individuelle Therapieempfehlung gegeben werden.
Bedeutung des Timings von Rehabilitationstraining und Medikamentengabe
Eine kombinierte Therapie aus medikamentöser Stimulierung des Nervenfaserwachstums und motorischem Training haben Wissenschaftler aus der Schweiz gemeinsam mit Forschern des Heidelberg Collaboratory for Image Processing (HCI) der Universität Heidelberg an Ratten untersucht. Eine detaillierte computergestützte Analyse der Bewegungsmuster und der anatomischen Daten hat dabei gezeigt, dass nur ein richtiges Timing des rehabilitativen Trainings nach der Medikamentengabe zu einer beinahe vollständigen Erholung der Tiere führt. Das Gehirn hat ein enormes Potential zur Regeneration, um geschädigte Funktionen wiederzuerlangen. Die ideale Kombination von rehabilitativem Training und Substanzen, die das Wachstum des Nervengewebes unterstützen, konnte bei Ratten nach einem halbseitigen Schlaganfall zur fast vollständigen Wiederherstellung ihrer motorischen Funktionen führen. In den Experimenten wurden Ratten nach einem Schlaganfall einer spezifischen Immuntherapie unterzogen, die das Wachstum von Nervenfasern im verletzten Bereich ankurbelt. Erst das richtig koordinierte physische Training - das Greifen nach Futterpellets - zusammen mit der Immuntherapie bewirkte die erhoffte Wiederherstellung der motorischen Fähigkeiten.
Transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS)
tDCS ist nicht invasiv, schmerzfrei, sicher, simpel anzuwenden, sogar selbst applizierbar und kostengünstig. Ist der kortikospinale Trakt (CST) stark geschädigt, ist der Effekt von tDCS auf den prämotorischen Kortex (PMv) größer als auf den primärmotorischen Kortex (M1). Ist der KST wenig geschädigt, ist der tDCS-Effekt auf den M1 größer als auf den PMv.
Generell finden sich in der Literatur die meisten Daten zur Anwendung von tDCS zur Stimulation des M1, um die kortikale Erregbarkeit und die motorische Funktion des paretischen Arms und der Hand zu verbessern. Zur Anwendung kommen vor allem die anodale, fazilitatorische tDCS des Motorkortex der betroffenen Hemisphäre oder die kathodale, inhibitorische, kontraläsionale tDCS oder die Kombination beider Methoden. Hierfür werden zwei Oberflächen-Elektroden auf dem Schädel angebracht, z. B. üblicherweise eine Elektrode auf M1 als Zielregion und eine Referenzelektrode über der kontraläsionalen supraorbitalen Region. Als Nebeneffekt von tDCS wird von Kribbeln auf der Haut berichtet, selten auch Hautrötungen an der Elektrodenstelle. Ebenso können Kopfschmerzen auftreten. In der Regel finden sich Anwendungs-Stromstärken von 1-2 mA für 20-30 Minuten. Dies hat einen poststimulativen Effekt, der circa für 30-90 Minuten nach der Stimulation anhält und damit ein ideales Zeitfenster für neurorehabilitatives Training bietet.
Heterogenität und neue Ansätze in der tDCS-Anwendung
tDCS (wie auch andere neuromodulatorische Therapien) lässt sich nicht Erfolg versprechend nach dem «One suits all»-Prinzip anwenden. Schlaganfallpatienten sind eine heterogene Gruppe mit einer Vielzahl von Faktoren, die zu dieser Heterogenität beitragen, wie z. B. Läsionsort und -grösse, klinisches Defizit, Zeitpunkt im Verlauf der Erholung, Grad des Defizites und Kombination der Symptome. Das Gehirn arbeitet als Netzwerk, dies macht den Schlaganfall zu einer Netzwerkerkrankung. Moderne Netzwerkanalysen des Schlaganfalls, basierend auf struktureller Bildgebung, erlauben jetzt Muster der Erholung vorauszusagen und können somit als Biomarker für personalisierte Therapiestrategien, wie z. B. Hirnstimulation, dienen.
Armrehabilitation nach Schlaganfall
Armlähmungen gehören zu den häufigsten Folgen einer Hirnschädigung, wie zum Beispiel nach einem Schlaganfall. Die Armlähmung kann sehr unterschiedlich stark ausgeprägt sein, von leichten bis zu sehr schweren Lähmungen. Im Gehirn gibt es Gebiete, die für die Steuerung jeder Bewegung erforderlich sind. In der linken Hirnhälfte liegen diese für die rechte Körperseite, in der rechten Hirnhälfte für die linke Körperseite. Man nennt diese Gebiete „motorischer Kortex“ (Hirnrinde). Eine Lähmung entsteht, wenn entweder der motorische Kortex selbst geschädigt ist, oder wenn die Nervenleitbahnen vom motorischen Kortex zum Rückenmark geschädigt sind (die sogenannten „kortikospinalen Bahnen“).
In der Arm-Rehabilitation können sehr unterschiedliche therapeutische Ansätze gewählt werden. Einerseits gibt es verschiedene Therapieformen ohne technische Geräte, um in der Ergo- oder Physiotherapie den betroffenen Arm aktiv zu trainieren. Andererseits gibt es geräteunterstützte Therapien wie die neuromuskuläre Elektrostimulation und die Robot-Therapie, aber auch die Therapie mit virtueller Realitätsanwendungen sowie die sensible Stimulation und Akupunktur. Die verschiedenen klassischen Physiotherapieschulen (zum Beispiel Bobath oder PNF) werden nicht ausdrücklich empfohlen. Insbesondere bei leichten bis mittelschweren Lähmungen ist für die Behandlung geeigneter Patienten ein „Zirkeltraining“ denkbar. Dabei können auch passive mechanische Trainingsgeräte und virtuelle Realitäts-Anwendungen zum Einsatz kommen.
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