Tiefe Hirnstimulation (THS): Funktionsweise und Anwendungsbereiche

Die Tiefe Hirnstimulation (THS), auch bekannt als Hirnschrittmacher, ist ein neurochirurgisches Verfahren, das zur Behandlung verschiedener neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen eingesetzt wird. Dabei werden Elektroden in spezifische Hirnregionen implantiert, um die dortige neuronale Aktivität zu modulieren. Weltweit wurden bereits über 80.000 Patienten mit diesem Verfahren behandelt. Gerade bei Patienten mit Bewegungsstörungen gilt die Tiefe Hirnstimulation als sehr gute Möglichkeit, die Lebensqualität von Erkrankten zu verbessern.

Was ist ein Hirnschrittmacher?

Die Tiefe Hirnstimulation (THS) ist ein neurochirurgisches Verfahren zur Behandlung von diversen neurologischen Erkrankungen wie Parkinson, Tremor und Depressionen. Dabei werden Elektroden in die zu beeinflussende Hirnregion implantiert und mit einem Impulsgeber verbunden, der auf Höhe des Schlüsselbeins unter die Haut eingesetzt wird. Das Gehirn ist das zentrale Organ unseres Körpers und reguliert sämtliche bewussten und unbewussten Vorgänge. Es besteht aus mehreren Billionen Nervenzellen, die auch als Neurone bezeichnet werden. Diese sind auf ganz bestimmte Weise miteinander vernetzt, sodass selbst die komplexesten Prozesse ausgeführt werden können. Nervenzellen mit gleicher oder ähnlicher Funktion liegen räumlich eng beieinander, sodass verschiedene Areale unterschieden werden können. Neurologische Erkrankungen können die Nervenzellen des Gehirns betreffen, wodurch diese in ihrer Funktionsweise eingeschränkt sind. Je nach betroffenem Areal, können verschiedene Funktionen beeinträchtigt sein. Das Prinzip der Tiefen Hirnstimulation beruht darauf, dass eine Elektrode in bestimmten Arealen des Gehirns eingebracht wird und die dort vorhandenen Neurone durch einen dauerhaften hochfrequenten Reiz in ihrer Aktivität beeinflusst.

Funktionsweise der Tiefen Hirnstimulation

Die Tiefe Hirnstimulation (THS) arbeitet über eine (meist) kontinuierliche hochfrequente elektrische Stimulation von Kerngebieten des Gehirns. Es wird angenommen, dass über diese hochfrequente Stimulation eine Hemmung des Kerngebietes stattfindet, die sich daraufhin auch auf das gesamte Netzwerk der Basalganglien auswirkt. Wie diese Hemmung genau zustande kommt, ist bislang nicht geklärt. Wichtig ist, dass die THS durch die Modulation von Netzwerken nur eine symptomatische Behandlung ist, d.h. nach heutiger Kenntnis nur die Symptome reduziert, aber keinen Einfluss auf das Vorhandensein oder Voranschreiten der zugrunde liegenden Erkrankung hat. Daher ist der Effekt der THS auch reversibel: nach Ausschalten des Stimulators stellt sich ein Zustand ein, wie er zu diesem Zeitpunkt ohne Stimulation wäre.

Das DBS-System besteht aus drei Hauptkomponenten:

1. Elektrode: Dünne, isolierte Drähte, die in spezifische Zielgebiete im Gehirn implantiert werden und mehrere Kontakte an der Spitze haben.
2. Verlängerungskabel: Verbindet die Elektrode mit dem Impulsgeber.
3. Impulsgeber (Neurostimulator): Enthält die Batterie und die Elektronik zur Steuerung der Impulse.

Die elektrischen Impulse beeinflussen die Aktivität der Nervenzellen in den Zielgebieten. Sie können überaktive Nervenzellen beruhigen oder unteraktive anregen und so gestörte Netzwerke im Gehirn normalisieren. Die Stimulationsparameter (Frequenz, Pulsdauer, Spannung) werden individuell angepasst, um die beste Wirkung für den Patienten zu erzielen.

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Anwendungsbereiche der Tiefen Hirnstimulation

Hirnschrittmacher kommen in erster Linie zur Therapie von Bewegungsstörungen bzw. deren Symptomen zum Einsatz. Studien der letzten Jahre zeigen aber auch gute Ergebnisse bei der Therapie von psychischen Erkrankungen wie chronischen Depressionen oder Zwangsstörungen. Die Therapiemöglichkeit anderer neurologischer aber auch psychiatrischer Erkrankungen werden derzeit in Studien und kleineren Fallserien untersucht.

Neurologische Erkrankungen

Hauptanwendungsgebiet der Tiefen Hirnstimulation ist Morbus Parkinson. Aber auch für andere Bewegungsstörungen, wie das Tourette-Syndrom, multiple Sklerose, Dystonie oder essentieller Tremor, die auf Medikamente nur ungenügend ansprechen, ist die tiefe Hirnstimulation zugelassen. Auch bei einer Epilepsie, bei der ein genauer Ursprung ausgemacht werden kann, ist die Tiefe Hirnstimulation eine mögliche Therapieoption.

Etabliert hat sich die THS zur Behandlung des Morbus Parkinson; hier wird als Zielpunkt meist der sogenannte Nucleus subthalamicus (STN) verwendet, ein Kerngebiet in den Basalganglien, das durch die Erkrankung überaktiv ist. Alternativ kommt zur Behandlung von Überbeweglichkeiten (Dyskinesien) in der Spätphase der Parkinsonerkrankung als Zielpunkt der Globus pallidus internus (GPi) in Frage. Zur Behandlung eines Parkinson-Tremors wie auch des Essentiellen Tremors hat sich als Zielpunkt der sogenannte Nucleus ventralis intermedius (VIM) des Thalamus bewährt. Die generalisierte und segmentale Dystonie wird durch eine THS im GPi behandelt. Weitere Studien zu dem gleichen Zielpunkt laufen aktuell für tardive Dyskinesien, einer Spätkomplikation nach Behandlung mit sogenannten Neuroleptika, und zeigen auch nach unseren eigenen Erfahrungen einen guten Effekt. Ebenso werden Untersuchungen zur THS bei Chorea Huntington (Chorea major) durchgeführt. Zugelassen ist die THS auch zur Behandlung der fokalen Epilepsie. Hierbei wird im sogenannten anterioren Thalamus stimuliert.

Morbus Parkinson: Morbus Parkinson ist eine fortschreitende neurodegenerative Erkrankung, die durch den Verlust von Nervenzellen im Gehirn entsteht, die den Botenstoff Dopamin produzieren. Die klassischen Symptome sind Zittern (Tremor), Muskelsteifheit (Rigor), verlangsamte Bewegungen (Bradykinese) und Haltungsinstabilität.

Essentieller Tremor: Der Essentielle Tremor ist die häufigste Bewegungsstörung und betrifft etwa 4-5% der Bevölkerung über 65 Jahre. Im Gegensatz zum Parkinson-Tremor tritt er typischerweise bei Bewegung oder Haltung auf (Halte- und Aktionstremor) und bessert sich in Ruhe. Am häufigsten sind die Hände betroffen, aber auch Kopf, Stimme, Zunge und andere Körperteile können betroffen sein.

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Dystonie: Dystonie ist eine neurologische Bewegungsstörung, die durch anhaltende oder wiederkehrende Muskelkontraktionen gekennzeichnet ist. Diese führen zu unwillkürlichen Drehbewegungen, abnormen Körperhaltungen oder wiederholten Bewegungen. Dystonien können einen einzelnen Körperteil betreffen (fokale Dystonie), mehrere benachbarte Körperteile (segmentale Dystonie) oder den gesamten Körper (generalisierte Dystonie).

Fokale Epilepsie: Epilepsie ist eine chronische neurologische Erkrankung, die durch wiederkehrende, unprovozierte epileptische Anfälle gekennzeichnet ist. Diese Anfälle entstehen durch abnorme, synchronisierte elektrische Aktivität im Gehirn.

Psychiatrische Erkrankungen

Man nimmt an, dass die THS auch auf psychische Erkrankungen (Depression und Zwangsstörungen) einen positiven Einfluss haben kann. Die Verwendung auf diesem Gebiet ist allerdings noch im experimentellen Stadium. Zu beachten ist hierbei vor allem, ob die Depression oder Zwangsstörung wirklich als eigenständige Erkrankung oder als Begleiterscheinung einer anderen Krankheit auftritt.

Voraussetzungen für einen Hirnschrittmacher

Vor der Operation muss festgestellt werden, ob sich der Patient für die Therapie eignet und ob eine Operation durchgeführt werden kann. Dazu wird zunächst der allgemeine Gesundheitszustand festgestellt. Zudem muss die Diagnose, aufgrund derer der Patient für eine Tiefe Hirnstimulation in Frage kommt, gut gesichert sein. Es wird empfohlen, die Indikationsstellung in einem spezialisierten Zentrum überprüfen zu lassen, in dem verschiedene neurologische Untersuchungen erfolgen. Dazu gehören psychologische Untersuchungen, bildgebende Verfahren des Gehirns und, im Falle einer Parkinson-Erkrankung, eine Beurteilung der Symptome mit und ohne Medikamenteneinfluss. Gegebenenfalls können die motorischen Symptome der Patienten auf einem Video festgehalten werden, sodass ein genauer Vergleich der Situation vor und nach der Operation möglich ist. Hierfür ist es auch sinnvoll, eine Skala zu verwenden, auf der die Symptome der entsprechenden Erkrankung festgehalten und eingeordnet werden. Zu den zusätzlichen Untersuchungen vor der Operation gehören eine logopädische Untersuchung, neurochirurgische Mitbeurteilungen sowie eine allgemeine Prüfung der Operationsfähigkeit des Patienten.

Ablauf der Tiefen Hirnstimulation OP

Wie vor jedem operativen Eingriff muss auch bei der Tiefen Hirnstimulation eine ausführliche Aufklärung des Patienten erfolgen, bei der die verschiedenen Risiken und Nebenwirkungen erklärt werden und der Patient die Möglichkeit erhält, Fragen zu stellen. Es empfiehlt sich im Vorwege, die Erwartungen des Patienten an die Operation zu erfragen. So können Patienten genau darüber informiert werden, welche Symptome durch die THS verbessert werden können und welche Symptome davon unbeeinflusst bleiben. Dies kann Patienten dabei helfen, die Wirkungsweise der Therapie besser zu verstehen. Idealerweise wird der Eingriff unter örtlicher Betäubung durchgeführt. Dadurch kann der Patient mitarbeiten und dem Chirurgen mitteilen, falls unerwünschte Nebenwirkungen wie Taubheitsgefühl oder Sprachstörungen auftreten. Essentiell für die exakte Implantation der Elektroden ist eine möglichst präzise Darstellung der verschiedenen Strukturen des Gehirns, sodass der Zielort der Stimulation möglichst genau eingegrenzt werden kann. Man nennt dies elektrophysiologisches Mapping. Hierbei wird die elektrische Aktivität von Neuronen mit Hilfe von Mikroelektroden registriert. Dies dient der Verbesserung der Positionierung der letztlich verwendeten Elektrode. Für den Eingriff selbst wird pro einzubringende Elektrode ein kleines Bohrloch in der Schädeldecke angelegt. Vor der endgültigen Implantation der Elektroden erfolgt eine Teststimulation. Dabei werden die Wirkung auf die vorhandenen Symptome sowie eventuell bestehende Nebenwirkungen beurteilt. Der Chirurg platziert dann unter bildgebender Kontrolle (CT und/oder MRT) äußerst präzise die Elektroden in der Hirnregion, die beeinflusst werden soll. Meist handelt es sich dabei um die so genannten Basalkerne, Regionen, die großen Einfluss auf die Ausführung von Bewegungen haben. Die Positionierung der Elektrode kann schließlich etwa vier bis acht Stunden dauern. Entweder im direkten Anschluss oder mit einer zeitlichen Verzögerung von wenigen Tagen wird ein kleines Gerät, das die elektrischen Impulse aussendet (umgangssprachlich Hirnschrittmacher genannt) mit den Elektroden verbunden und auf Höhe des Schlüsselbeins unter der Haut fixiert. Das ermöglicht es dem Patienten, die elektrische Stimulation auch selbstständig zu steuern.

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Navigation im Gehirn

Die MRT-Aufnahme ist nur die "Landkarte" des Gehirns. Damit man im realen Hirn des Patienten B. die richtigen Punkte trifft, müssen beide, Landkarte und Patientenhirn, auf dasselbe Koordinatensystem kalibriert werden. Dazu wird der Kopf des Patienten in einem Rahmen fixiert, dessen Form entfernt an einen Sextanten erinnert: ein silberner Bogen mit eingravierter Mess-Skala, der sich wie das Modell einer Satellitenbahn über Nase und Wangen des Patienten wölbt. Von dem so fixierten Kopf erstellen die Ärzte nun eine Computertomografie, die sie anschließend mit der MRT-Aufnahme zusammenführen: "Es ist so, als würde man ein Navigationsinstrument über eine Landkarte legen", sagt Wolfgang Hamel. Jetzt bleibt nur noch, Eintritts- und Zielpunkt der Sonde zu berechnen.

Was gibt es nach der Operation zu beachten?

Grundsätzlich sollten Patienten nach der Operation zunächst einige Tage zur Überwachung im Krankenhaus verweilen. Nach dem sich der Allgemeinzustand des Patienten wieder verbessert hat, muss entschieden werden, wann die Einstellung des Hirnschrittmachers erfolgen kann. In der Regel findet dies in einem Zeitraum von ein bis fünf Wochen nach der Operation statt. Da für eine optimale Einstellung Symptome vorhanden sein sollten, kann es sinnvoll sein, die bislang eingenommenen Medikamente zu reduzieren oder ganz abzusetzen. Dann werden die Elektrodenkontakte mit unterschiedlicher Impulsbreite und Frequenz angesteuert. Anschließend werden Wirkung auf die Symptomatik und Nebenwirkungen beurteilt. Die optimale Einstellung ist immer diejenige mit dem günstigsten Verhältnis von Effekt und Nebenwirkung. Die Einstellung kann einige Zeit dauern und verlangt vom Patienten eine gewisse Geduld ab. Nachdem die optimale Einstellung gefunden wurde, kann die Kontrolle des Hirnschrittmachers vom Arzt an den Patienten weitergegeben werden. Dieser kann das System mit Hilfe eines Handgerätes innerhalb bestimmter vom Arzt festgelegten Grenzen selbst steuern. Wichtig ist hierbei eine ausführliche Einweisung in die Funktionsweise und Steuerbarkeit des Gerätes.

Welche Nebenwirkungen hat die Hirnschrittmacher-Implantation?

Im Verlauf der Operation kann es in seltenen Fällen zu Komplikationen wie Blutungen oder Infektionen kommen. Das Risiko ist allerdings sehr gering. Nebenwirkungen der Stimulation selbst sind, falls sie auftreten, psychischer Natur und meist nur vorübergehend. Dies können Depressionen oder Euphorie sein. Durch Anpassung der Impulsgebung können sie in der Regel gut kontrolliert werden.

Welche Vor- und Nachteile bietet die Tiefe Hirnstimulation im Vergleich zu anderen Behandlungsmethoden?

Grundsätzlich gilt in der Medizin, dass eine Therapie einen möglichst großen Nutzen bei möglichst geringen Nebenwirkungen haben muss. Dies gilt vor allem für sehr invasive Verfahren wie die Tiefe Hirnstimulation. Daher erfolgt im Vorwege die genaue Abwägung der verschiedenen Vor- und Nachteile. Die jeweilige Symptomatik des Patienten gibt dabei vor, welche Vorteile von der THS zu erwarten sind. Im Falle der Parkinson-Erkrankung beispielsweise gilt, dass die Therapie vor allem gegen Symptome wie Bewegungsunruhe oder einen erhöhten Muskeltonus wirksam ist. Haltung, Sprache, psychiatrische und kognitive Funktionen sprechen hingegen kaum auf eine Tiefe Hirnstimulation an. Je nachdem welche Symptome im Vordergrund stehen, kann die Methode mehr oder weniger sinnvoll sein. Ein wichtiger Vorteil der Tiefen Hirnstimulation besteht darin, dass bei einer guten Wirksamkeit die bisher eingenommenen Medikamente stark reduziert werden können. Dies erspart Patienten daraus resultierende Nebenwirkungen sowie Wechselwirkungen mit anderen Medikamenten. Ein weiterer Vorteil kann darin liegen, dass die Stimulation auch durch den Patienten selbst gesteuert werden kann. Jedoch darf dabei nicht vergessen werden, dass der Patient hierzu auch kognitiv befähigt sein muss. Bei älteren oder stark erkrankten Patienten ist die selbstständige Steuerung also eventuell nicht möglich. In diesem Fall kann die Einstellung jedoch auch durch einen Arzt übernommen werden. Nachteile der Tiefen Hirnstimulation werden durch die oben genannten Nebenwirkungen abgebildet. Zudem kann der Nutzen der Therapie vor einer Operation nicht immer sicher abgeschätzt werden. Es empfiehlt sich also immer, die Vor- und Nachteile im individuellen Fall zu betrachten und die Entscheidung gemeinsam mit dem Arzt und eventuell auch Angehörigen zu treffen.

Spezialisten und Zentren für Tiefe Hirnstimulation

Obwohl die Methoden und Techniken der Tiefen Hirnstimulation stetig weiterentwickelt und verbessert werden, handelt es sich dennoch um einen invasiven Eingriff. Studien zeigen, dass der Erfolg der Operation maßgeblich von der Erfahrung und Expertise des Operateurs abhängt. Daher sollte die Behandlung möglichst in einem spezialisierten Zentrum erfolgen. Eine umfassende Betreuung erhalten Patienten durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Fachärzten der Neurologie, Neurochirurgie und Psychosomatik. Hinzu kommen nicht-ärztliche Mitarbeiter, beispielsweise aus der Neuropsychologie oder Logopädie.

Tiefe Hirnstimulation - Eine symptomatische Behandlung

Bei dieser Therapieform handelt es sich aber bislang nur um eine symptomatische Behandlung. Heilbar sind die oben genannten Krankheiten durch die Tiefe Hirnstimulation nicht. Grundsätzlich nimmt man an, dass ein gestörter Informationsfluss zwischen einzelnen Regionen des Gehirns bei Bewegungserkrankungen wie Morbus Parkinson vorliegt. Und genau diese pathologische Netzwerkaktivität wird durch Hirnschrittmacher wahrscheinlich „überschrieben“. Die THS ist durch die Modulation von Netzwerken nur eine symptomatische Behandlung ist, d.h. nach heutiger Kenntnis nur die Symptome reduziert, aber keinen Einfluss auf das Vorhandensein oder Voranschreiten der zugrunde liegenden Erkrankung hat. Daher ist der Effekt der THS auch reversibel: nach Ausschalten des Stimulators stellt sich ein Zustand ein, wie er zu diesem Zeitpunkt ohne Stimulation wäre.

Neuronale Schnittstellen als zukünftige Ergänzung?

Neuronale Schnittstellen sind faszinierende Verbindungen zwischen biologischen Neuronen und Maschinen. Diese Technologie bietet das Potenzial, die Kommunikation zwischen Gehirn und externer Hardware zu ermöglichen und somit viele Anwendungen in der Medizin, Robotik und anderen Bereichen zu unterstützen. Bidirektionale neuronale Schnittstellen ermöglichen die Kommunikation in beide Richtungen zwischen dem menschlichen Gehirn und elektronischen Geräten. Diese Schnittstellen eröffnen neue Möglichkeiten in der Medizin und Technologie, indem sie sowohl Signale vom Gehirn empfangen als auch elektrische Signale an das Gehirn senden können.

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