Tiefe Hirnstimulation: Aufbau, Funktion und Anwendung

Die Tiefe Hirnstimulation (THS), im anglo-amerikanischen Raum als Deep Brain Stimulation (DBS) bekannt und umgangssprachlich als „Hirnschrittmacher“ bezeichnet, ist eine etablierte interdisziplinäre Behandlungsmethode für Bewegungsstörungen und wird zunehmend auch bei psychiatrischen Erkrankungen eingesetzt. Seit ihrer ersten Anwendung in den späten 1980er Jahren durch Prof. A. Benabid in Grenoble (Frankreich) wurde die THS weltweit bei etwa 85.000 Patienten durchgeführt, wobei die Mehrheit aufgrund einer Parkinson-Erkrankung operativ behandelt wurde.

Wirkungsweise der Tiefen Hirnstimulation

Obwohl die THS mittlerweile breite Anwendung findet, ist ihre genaue Wirkweise noch nicht vollständig geklärt. Sie basiert auf einer (meist) kontinuierlichen hochfrequenten elektrischen Stimulation von Kerngebieten des Gehirns. Es wird angenommen, dass diese Stimulation eine Hemmung des Kerngebietes bewirkt, die sich auf das gesamte Netzwerk der Basalganglien auswirkt. Wie diese Hemmung genau zustande kommt, ist jedoch noch Gegenstand der Forschung.

Wichtig zu betonen ist, dass die THS eine symptomatische Behandlung darstellt. Das bedeutet, dass sie lediglich die Symptome reduziert, aber keinen Einfluss auf das Vorhandensein oder Voranschreiten der zugrunde liegenden Erkrankung hat. Der Effekt der THS ist reversibel: Nach dem Ausschalten des Stimulators kehrt der Zustand zurück, der ohne Stimulation zu diesem Zeitpunkt bestehen würde.

Grundsätzlich nimmt man an, dass ein gestörter Informationsfluss zwischen einzelnen Regionen des Gehirns bei Bewegungserkrankungen wie Morbus Parkinson vorliegt und dass diese pathologische Netzwerkaktivität durch Hirnschrittmacher wahrscheinlich „überschrieben“ wird.

Indikationen der Tiefen Hirnstimulation

Die THS ist bereits zur Behandlung verschiedener neurologischer Erkrankungen zugelassen. Darüber hinaus werden Therapiemöglichkeiten für andere neurologische und psychiatrische Erkrankungen in Studien und kleineren Fallserien untersucht.

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Neurologische Erkrankungen

• Morbus Parkinson: Hierbei wird meist der Nucleus subthalamicus (STN) als Zielpunkt verwendet, ein Kerngebiet in den Basalganglien, das durch die Erkrankung überaktiv ist. Alternativ kann bei Überbeweglichkeiten (Dyskinesien) in der Spätphase der Parkinsonerkrankung der Globus pallidus internus (GPi) als Zielpunkt dienen.
• Essentieller Tremor und Parkinson-Tremor: Als Zielpunkt hat sich der Nucleus ventralis intermedius (VIM) des Thalamus bewährt.
• Generalisierte und segmentale Dystonie: Hier wird eine THS im GPi durchgeführt. Studien zu tardiven Dyskinesien, einer Spätkomplikation nach Behandlung mit Neuroleptika, zeigen ebenfalls positive Effekte.
• Chorea Huntington (Chorea major): Auch hierzu werden Untersuchungen zur THS durchgeführt.
• Fokale Epilepsie: Bei dieser Form der Epilepsie wird im anterioren Thalamus stimuliert.

Psychiatrische Erkrankungen

• Zwangserkrankungen: Die THS ist bereits zur Behandlung von Zwangserkrankungen zugelassen.
• Chronische Depression: Vielversprechende Ergebnisse zeigen sich in kleineren Studien bei Patienten mit chronischer Depression.
• Tourette-Syndrom: Mehrere Studien haben die Möglichkeiten der THS zur Behandlung von streng selektierten Patienten und Patientinnen mit Tourette-Syndrom belegt.

Es sei jedoch betont, dass die THS bei psychiatrischen Erkrankungen in der Regel erst dann in Betracht gezogen wird, wenn andere Therapieoptionen ausgeschöpft sind.

Wirkung der Tiefen Hirnstimulation auf klinische Symptome

Die zu erwartende Wirkung auf die klinische Symptomatik hängt sowohl vom Zielpunkt als auch von der zugrunde liegenden Erkrankung ab.

• Morbus Parkinson (THS im STN): Muskelsteifigkeit (Rigor), Bewegungsarmut (Hypokinese/Bradykinese) und Zittern (Tremor) werden effektiv behandelt. Axiale Symptome wie Gangunsicherheit, Haltefunktionen, Schlucken und Sprechen sprechen weniger gut an.
• Tremorformen (THS im VIM): Die THS wirkt nur auf den Tremor allein und reduziert nicht die Begleitsymptome wie Ataxie, Rigor, Bradykinese oder Dystonie.
• Dystonie, tardive Dyskinesien, Dyskinesien bei Morbus Parkinson (THS im GPi): Dystone Bewegungsstörungen, dystoner Tremor und Dyskinesien können effektiv reduziert werden.
• Fokale Epilepsie (THS im anterioren Thalamus): Die Anfallshäufigkeit wird reduziert.

Durch gezielte Stimulation mittels THS können die Symptome der Erkrankung teilweise dramatisch gemindert werden.

Notwendige Abklärung vor dem operativen Eingriff

Aufgrund möglicher Nebenwirkungen ist in Abhängigkeit von Zielpunkt und Erkrankung eine sorgfältige Abklärung zur Selektion geeigneter Patienten notwendig.

Stationär werden in der Regel Patienten mit Morbus Parkinson oder einer Dystonie abgeklärt. Neben der Dokumentation der klinischen Symptomatik im tageszeitlichen Verlauf werden folgende Untersuchungen durchgeführt:

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• Bildgebung des Gehirns (Kernspintomographie)
• Neuropsychologische Testungen (Gedächtnistests)
• Vorstellung bei einem Psychiater zum Ausschluss einer schwerwiegenden psychiatrischen Erkrankung
• Apparative Zusatzuntersuchungen
• Ansprechen der Symptome auf verschiedene Medikamente

Die Ergebnisse werden in einer interdisziplinären Konferenz (MoDis-Konferenz) gemeinsam mit den Kollegen der Stereotaktischen Neurochirurgie ausführlich besprochen und das individuelle Operationsrisiko gegen den möglichen Gewinn durch diesen Eingriff abgewägt. Die Entscheidung für oder gegen eine THS-Operation ist immer ein interdisziplinärer Konsens.

Ablauf einer stereotaktischen Operation zur Tiefen Hirnstimulation

Die THS-Operation wird von den Ärzten der stereotaktischen Neurochirurgie durchgeführt und dauert etwa 6 Stunden.

1. Anbringen des stereotaktischen Rings: Am Operationstag wird zunächst ein stereotaktischer Ring am Schädelknochen nach örtlicher Betäubung befestigt. Dieser Ring dient der Planung und Navigation des Neurochirurgen.
2. Bildgebung und Planung: Anschließend wird eine Computertomographie des Schädels veranlasst. Diese Bilddaten werden mit Daten aus einem vor dem Operationstag angefertigten Kernspintomogramm in Übereinstimmung gebracht. So erhält man die gute Auflösung des Kernspintomogramms mit Darstellung der Gefäße in Kombination mit dem stereotaktischen Ring. Hierdurch kann eine Planung des Zugangswegs zu dem jeweiligen Kerngebiet des Gehirnes unter Berücksichtigung der Gefäßverläufe erfolgen. Diese Prozedur ist wichtig, um die Komplikationsrate des Eingriffs minimal zu halten.
3. Navigation: Nach der Planung wird ein zusätzlicher Bügel am stereotaktischen Ring befestigt, der die Navigation ermöglicht.
4. Implantation der Elektroden: Nach örtlicher Betäubung erfolgt zunächst ein Hautschnitt, danach wird ein Loch mit ca. 8 mm Durchmesser in die Schädeldecke gebohrt. Anschließend werden 2 bis 5 Mikroelektroden in das Gehirn eingeführt (das Gehirn selbst kann keinen Schmerz empfinden), die elektrische Ableitungen aus dem Kerngebiet ermöglichen und so eine Orientierungshilfe für den Neurochirurgen bieten.
5. Teststimulation: Über diese Mikroelektroden erfolgt auch eine Teststimulation, um den Effekt der THS auf die jeweiligen Symptome zu untersuchen. Gemeinsam mit dem Patienten wird so der optimale Stimulationsort detektiert und die endgültige Stimulationselektrode dort platziert. Ebenso wird mit der anderen Gehirnseite verfahren, da in der Regel eine beidseitige Operation durchgeführt wird.
6. Implantation des Impulsgebers: Anschließend erfolgt in Vollnarkose die Implantation der Kabel und des Stimulators (Impulsgebers) unter der Haut. Der Impulsgeber ist durch die Haut programmierbar und wird einige Tage nach der Operation erstmals eingeschaltet.
7. Anpassung der Stimulationsparameter: Die Anpassung der Stimulationsparameter erfolgt langsam und über viele Tage, hier ist gerade in den ersten Tagen und Wochen viel Geduld von Seiten des Patienten notwendig.
8. Weiterbehandlung: Die Weiterbehandlung nach dem stationären Aufenthalt erfolgt in der Regel in einer Rehabilitationseinrichtung. Anschließend sind die Patienten regelmäßig in ambulanter Kontrolle.

Während der Operation ist es wichtig, dass der Patient nicht die ganze Zeit tief schläft. Für jeweils zwei Mal 15 Minuten (15 Minuten rechts und 15 Minuten links) ist der Patient wacher, so dass die Wirkung der Stimulation getestet werden kann. Der Eingriff erfolgt deshalb in der Regel in Analgosedierung (Anmerkung der Redaktion: Bei der Analgosedierung ist der Patient nur sediert, also beruhigt, die Schmerzen werden jedoch ausgeschaltet). Es ist aber auch möglich, die komplette Operation in Vollnarkose durchzuführen. Zwar können auch dann die elektrische Aktivität gemessen werden, es ist jedoch logisch, dass die Teststimulation in Vollnarkose etwas eingeschränkter ist. Die Sprache zum Beispiel kann so natürlich nicht getestet werden.

Komplikationen und Nebenwirkungen

Man unterscheidet Komplikationen durch den chirurgischen Eingriff (prozedural) von technischen Komplikationen des elektronischen Systems.

Chirurgische Komplikationen

Trotz sorgfältiger Planung des Zugangsweges und akkurater Durchführung der chirurgischen Handgriffe lassen sich Komplikationen durch den stereotaktischen Eingriff nicht ganz verhindern.

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• Gehirnblutung: Bei etwa 2% der operierten Patienten kommt es durch Verletzung eines Gefäßes zu einer Gehirnblutung, die in der Regel sehr klein und umschrieben ausfällt. Etwa die Hälfte dieser Blutungen (d.h. bei etwa 1% aller Patienten) verursachen auch neurologische Symptome wie Halbseitenlähmungen, Gefühlsstörungen, Sprach- oder Sprechstörungen. In der Regel bilden sich diese Symptome vollständig oder zumindest teilweise wieder zurück. Das Risiko kann deshalb so niedrig gehalten werden, weil auf den MRT- und CT-Scans, die für die Operation gemacht werden, auch kleinste Gefäße sichtbar werden, und der Verlauf der Elektrode so simuliert und geplant werden kann, dass keine Gefäße berührt werden.
• Dislokation der Elektrode: Sehr selten kommt es zu einer Dislokation (Fehlplatzierung) der Elektrode mit Wirkverlust oder Auftreten von Nebenwirkungen. Häufig tritt eine solche Dislokation im Verlauf auf. Zunächst wird die entsprechende Elektrode nicht mehr stimuliert.
• Infektion: Ein weiteres Risiko, das über den chirurgischen Eingriff hinaus auch noch im langfristigen Verlauf zu Problemen führen kann, stellt das Infektionsrisiko dar. Bakterien haften sich sehr gerne an Implantaten an und sind einer Antibiotikatherapie nur schwer zugänglich. Dies bedeutet, dass eine Infektion nur selten durch Antibiose effektiv zu behandeln ist, häufig wird daher eine Explantation der Implantate notwendig. Meist ist es ausreichend, nur den Impulsgeber und einen Teil des Kabels zu entfernen; selten jedoch kann die Explantation des gesamten Systems notwendig werden, um die Entwicklung einer Hirn- und Hirnhautentzündung zu vermeiden. Bei der THS-Implantation liegt das Infektionsrisiko bei etwa 3,5 Prozent. Wenn eine Infektion auftritt, tritt diese in 99 Prozent der Fälle im Bereich des Generators auf. Bei der Hälfte der 3,5 Prozent können diese Infektionen mit Antibiotika behandelt werden, bei der anderen Hälfte muss das Gerät vorübergehend entfernt werden, um es drei Monate später wieder zu implantieren.

Technische Komplikationen

Selbstverständlich sind die verwendeten technischen Bauteile sorgfältig geprüft und für den Gebrauch am Menschen zugelassen. Dennoch kann es im Verlauf - wie bei anderen elektrischen Apparaturen auch - zu einem Ausfall des Impulsgebers kommen, die zu einem Funktionsverlust der THS führen können. In diesem Fall kann ein Austausch des entsprechenden Kabels oder Stimulators durchgeführt werden. Notwendig wird der Austausch des Impulsgebers bei Erschöpfung der Batterie, die in Abhängigkeit von den Stimulationsparametern etwa 2 bis 7 Jahre lang hält. Dieser Eingriff wird durch die Ärzte der stereotaktischen Neurochirurgie in örtlicher Betäubung durchgeführt und dauert ca.

Nebenwirkungen durch Stimulation

Je nach Stimulationsort und Elektrodenlage bzw. der verwendeten Spannung können durch die hochfrequente Stimulation neben den erwünschten Wirkungen auch Nebenwirkungen auftreten. Diese können vorübergehender Natur sein oder dauerhaft vorliegen. Zu nennen sind Sprechstörungen, Gefühlsstörungen, Verkrampfungen oder Doppelbilder. Im Falle des Nucleus subthalamicus bei M. Parkinson können auch mal psychiatrische Nebenwirkungen wie Apathie, depressive Verstimmung oder submanische Zustände provoziert werden, auf die natürlich besondere Aufmerksamkeit bei der Einstellung der Stimulationsparameter gerichtet wird. Durch eine THS bei Zwangserkrankung kann es zu einer erhöhten Impulsivität kommen. Diese hängt meist mit dem tiefsten Kontakt der Elektrode zusammen und kann leicht behoben werden.

Unerwünschte Nebenwirkungen der Stimulation treten in der Regel innerhalb der ersten Monate auf. Es kommt normalerweise nicht vor, dass dies erst nach längerer Zeit geschieht. Die Nebenwirkungen sind aber reversibel: Wenn die Stimulation reduziert oder ausgeschaltet wird, verschwinden diese Nebenwirkungen wieder. So können sie meist schnell behoben werden oder es lässt sich ein Kompromiss dafür finden. Die Kunst besteht darin, durch die Anpassung der Stimulationsparameter die gute Wirkung ohne Nebenwirkungen zu behalten.

Alltag mit einem THS-System

Nach der Implantation eines THS-Systems können Patienten für gewöhnlich alles tun wie zuvor, mit Ausnahme von ein paar Dingen, die berücksichtigt werden müssen. In Deutschland gibt es zum Beispiel ein Gesetz, wonach Menschen nach einer Hirnoperation (also auch nach einer THS-Implantation) über einen Zeitraum von drei Monaten kein Auto fahren dürfen. Im Flughafen darf der Patient nicht durch die Sicherheitsschleuse gehen und generell darf der Körper keinem Strom ausgesetzt sein wie zum Beispiel im Rahmen manch einer physiotherapeutischen Behandlung. Ein MRT des Kopfes oder andere Körperteile ist weiterhin möglich, allerdings müssen dann bestimmte Voraussetzungen erfüllt werden. Und im Falle einer späteren Operation muss der Operateur auf einige elektrisch unterstütze Techniken verzichten. Dies sind alles Dinge, die auch für Menschen mit einem Herzschrittmacher gelten.

Technische Neuerungen

In den letzten Jahren gab es signifikante technische Fortschritte.

• Direktionale Elektroden: Seit 2015 gibt es sogenannte direktionale Elektroden auf dem Markt. Davor gab es nur Elektroden mit vier (oder acht) ringförmig angeordneten Kontakten. Das heißt, wenn ein Kontakt eingeschaltet ist, erfolgt die Stimulation immer im 360-Grad-Radius um diesen Kontakt herum. Die direktionalen Elektroden geben uns hingegen die Möglichkeit, nur in eine bestimmte Richtung zu stimulieren, also zum Beispiel weg von einer Struktur, die zu bestimmten Nebenwirkungen wie Sprachstörungen führen würde. Mit diesen direktionalen Elektroden werden die oben genannten Nebenwirkungen der THS weniger häufig beobachtet.
• MRT-Tauglichkeit: Auch was die MRT-Tauglichkeit betrifft, gibt es weitere Fortschritte.
• Brain-Sensing-Technologie: Mit den neuesten Implantaten kann nicht nur Strom abgegeben, sondern auch die elektrische Aktivität tief im Gehirn abgeleitet werden. Anhand der gemessenen Hirnsignale kann dann die Stimulationseinstellung weiter optimiert werden. Eine sehr wichtige Eigenschaft ist, dass der „Hirnschrittmacher“ mit diesem System so programmiert werden kann, dass die Stromstärke automatisch an die Symptome angepasst wird. Dies wird als sogenannte adaptive oder Closed-Loop-Stimulation bezeichnet.
• Wiederaufladbare "Schrittmacher": Ein wesentlicher Vorteil des wiederaufladbaren „Schrittmachers“ ist, dass er nicht nach ein paar Jahren ausgetauscht werden muss. Die Zeit, nach der ein nicht wiederaufladbares Gerät ersetzt werden muss, hängt vom individuellen Stromverbrauch ab und liegt bei Patienten mit Bewegungsstörungen zwischen drei und sieben Jahren. Dieser Austausch geht immer mit einer kleinen Operation einher. Die wiederaufladbaren Systeme bleiben zwischen 15 bis 25 Jahre aktiv, so lange ist also keine Operation nötig. Ein weiterer Vorteil ist ihre geringere Größe. Das Wiederaufladen ist einfach und erfolgt in der Regel ein Mal pro Woche. Mit einem kabellosen Gerät, das in einer Art Weste über den „Schrittmacher“ gelegt wird, kann das System aufgeladen werden.

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