Die Tiefe Hirnstimulation (THS), im anglo-amerikanischen Raum auch als Deep Brain Stimulation (DBS) oder umgangssprachlich als „Hirnschrittmacher“ bezeichnet, hat sich als eine etablierte Behandlungsmethode für Bewegungsstörungen, insbesondere bei der Parkinson-Krankheit, erwiesen. Seit ihrer Erstanwendung in den späten 1980er Jahren durch Prof. A. Benabid in Grenoble (Frankreich) wurde die THS weltweit bei ca. 85.000 Patienten durchgeführt, wobei die meisten Patienten aufgrund einer Parkinson-Erkrankung operativ behandelt wurden.
Grundlagen der Tiefen Hirnstimulation
Bei der THS werden Elektroden stereotaktisch in bestimmte Hirnareale implantiert, die dann dauerhaft hochfrequente kurze elektrische Impulse abgeben, um so neuronale Funktionskreise zu modulieren. Die Elektrodenspitze besteht aus mindestens vier Polen. Dies ermöglicht postoperativ und von außen eine Vielzahl von Stimulationsvarianten. Die 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.
Es ist wichtig zu betonen, dass die THS durch die Modulation von Netzwerken nur eine symptomatische Behandlung ist. Nach heutiger Kenntnis reduziert sie nur die Symptome, hat aber keinen Einfluss auf das Vorhandensein oder Voranschreiten der zugrunde liegenden Erkrankung. 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.
Indikationen für die Tiefe Hirnstimulation
Die THS ist zur Behandlung vieler neurologischer Erkrankungen bereits zugelassen. Die Therapiemöglichkeit anderer neurologischer aber auch psychiatrischer Erkrankungen werden derzeit in Studien und kleineren Fallserien untersucht. 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.
Zugelassen ist die THS auch zur Behandlung der fokalen Epilepsie. Hierbei wird im sogenannten anterioren Thalamus stimuliert. Neben diesen neurologischen Erkrankungen werden seit einigen Jahren zunehmend psychiatrische Erkrankungen mit der THS behandelt. Diese ist zur Behandlung von Zwangserkrankungen bereits zugelassen, vielversprechende Ergebnisse zeigen sich auch in kleineren Studien bei Patienten mit chronischer Depression.
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Wirkung der Tiefen Hirnstimulation auf klinische Symptome
Die zu erwartende Wirkung auf die klinische Symptomatik ist zum einen von dem Zielpunkt, zum anderen von der zugrunde liegenden Erkrankung abhängig. Sowohl die Muskelsteifigkeit (Rigor) als auch die Bewegungsarmut (Hypokinese / Bradykinese) sowie das Zittern (Tremor) beim Morbus Parkinson werden bei einer THS im Nucleus subthalamicus (STN) effektiv behandelt; weniger gut sprechen die axialen Symptome des M. Parkinson (Gangunsicherheit, Haltefunktionen, Schlucken, Sprechen …) an.
Die THS im Nucleus ventralis intermedius (VIM) des Thalamus zur Behandlung vieler Tremorformen wirkt nur auf den Tremor allein und führt daher nicht zu einer Reduktion der Begleitsymptome (wie Ataxie, Rigor, Bradykinese, Dystonie …). Durch eine Stimulation des Globus pallidus internus (GPi) können dystone Bewegungsstörungen, der dystone Tremor, tardive Dyskinesien und Dyskinesien beim Morbus Parkinson effektiv reduziert werden. Eine Stimulation des anterioren Thalamus reduziert die Anfallshäufigkeit bei Patienten mit fokaler Epilepsie.
Der Weg zur Tiefen Hirnstimulation: Notwendige Abklärung und Operation
Aufgrund von möglichen Nebenwirkungen ist in Abhängigkeit von Zielpunkt und Erkrankung eine ambulante oder stationäre Abklärung zur Selektion der geeigneten Patienten notwendig. Stationär werden in der Regel Patienten mit Morbus Parkinson oder einer Dystonie abgeklärt. Neben der Dokumentation der klinischen Symptomatik im tageszeitlichen Verlauf über den stationären Beobachtungszeitraum wird eine Bildgebung des Gehirns (Kernspintomographie), neuropsychologische Testungen (Gedächtnistests), eine Vorstellung bei einem Psychiater zum Ausschluss einer schwerwiegenden psychiatrischen Erkrankung, apparative Zusatzuntersuchungen sowie das Ansprechen der Symptome auf verschiedene Medikamente durchgeführt, um Argumente für und wider eine Operation zu sammeln.
Die Patienten werden gegen Ende des stationären Aufenthalts in einer interdisziplinären Konferenz (MoDis-Konferenz) gemeinsam mit den Kollegen der Sektion für Stereotaktische Neurochirurgie ausführlich besprochen und das individuelle Operationsrisiko gegen den möglichen Gewinn durch diesen Eingriff abgewägt. Die Entscheidung, ob eine THS-Operation stattfinden kann oder nicht, ist daher immer ein interdisziplinärer Konsens.
Ablauf einer stereotaktischen Operation zur Tiefen Hirnstimulation
Die THS-Operation wird durch die Ärzte der stereotaktischen Neurochirurgie durchgeführt, sie dauert insgesamt ca. 6 Stunden. Am Operationstag wird zunächst ein stereotaktischer Ring am Schädelknochen nach vorangegangener örtlicher Betäubung befestigt. Dieser Ring dient der Planung und Navigation des Neurochirurgen. 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. Nach Planung wird ein zusätzlicher Bügel am stereotaktischen Ring befestigt, der die Navigation ermöglicht.
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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. 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.
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. 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. Die Weiterbehandlung nach dem stationären Aufenthalt erfolgt in der Regel in einer Rehabilitationseinrichtung. Anschließend sind die Patienten regelmäßig in ambulanter Kontrolle.
Mögliche Komplikationen und Nebenwirkungen
Man unterscheidet Komplikationen durch den chirurgischen Eingriff (prozedural) von technischen Komplikationen des elektronischen Systems. Trotz sorgfältiger Planung des Zugangsweges und akkurater Durchführung der chirurgischen Handgriffe lassen sich Komplikationen durch den stereotaktischen Eingriff nicht ganz verhindern. Bei etwa 2% der operierten Patienten kommt es durch Verletzung eines Gefäßes zu einer Gehirnblutung, die in der Regel sehr klein und umschrieben ausfällt. Aufgrund des Zugangswegs und der Lage dieser Blutungen verursachen etwa die Hälfte dieser Blutungen (d.h. bei etwa 1% aller Patienten) auch neurologische Symptome wie Halbseitenlähmungen, Gefühlsstörungen, Sprach- oder Sprechstörungen. In der Regel bilden sich diese Symptome vollständig oder zumindest teilweise wieder zurück. Sehr, 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.
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.
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. 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.
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Frühe Intervention durch Tiefe Hirnstimulation
Eine deutsch-französische Studie hat gezeigt, dass eine frühzeitige Hirnstimulation die Lebensqualität einiger Parkinson-Kranker besser erhalten kann als Medikamente alleine. Dabei werden in ein bestimmtes Hirnareal Elektroden eingepflanzt, die Impulse von einem Schrittmacher am Schlüsselbein erhalten. Die Patienten haben eine bessere Motorik, mehr Beweglichkeit und weniger Zittern, vor allem aber insgesamt länger gute Phasen. Zwei Jahre nach dem Eingriff zeigten die Operierten eine verbesserte Lebensqualität im Vergleich zu medikamentös behandelten Patienten. Die Mobilität im schlechtesten Zustand wurde gesteigert, die Aktivitäten des täglichen Lebens verbessert und die Nebenwirkungen durch den Wirkstoff L-Dopa reduziert.
Allerdings ist nicht jeder Parkinsonpatient für die Operation geeignet. Eine Voraussetzung ist, dass der Patient auf L-Dopa anspricht und keine schweren kognitiven Einschränkungen hat.
Fortschritte in der Forschung und Technologie
Die Parkinson-Forschung hat in den vergangenen Jahren große Fortschritte gemacht. Prof. Andrea Kühn von der Charité in Berlin und Prof. Jens Volkmann vom Universitätsklinikum Würzburg gehören zu den führenden Forschenden auf diesem Gebiet und arbeiten an der weiteren Verbesserung der THS.
Eine wesentliche Entwicklung ist der Einsatz von segmentierten, also im Ring unterteilten Elektroden, sodass man das elektrische Feld noch zielgerichteter platzieren kann. Damit können Nebenwirkungen noch besser vermieden werden und die Effektivität wird damit gesteigert. Der zweite wesentliche Punkt ist der Weg hin zur Entwicklung einer sogenannten Closed-Loop-Stimulation, also der Anpassung der Stimulation an die Aktivität im Gehirn.
Ein weiterer Punkt ist der Einsatz von digitalen Technologien bei der Tiefen Hirnstimulation. Diese haben zum Teil dazu geführt, dass man auf bestimmten Ebenen des Netzwerkes Computermodelle entwickeln kann, die dann auch therapeutische Vorhersagen ermöglichen. Die Modelle basieren auf Zellmodellen von elektrisch erregbaren Membranen, die in bestimmter räumlicher Anordnung aus der individuellen Anatomie des Patienten entwickelt werden.
Tiefe Hirnstimulation bei Zwangserkrankungen
Eine Behandlungsmöglichkeit in schweren Fällen von Zwangserkrankungen ist die sogenannte tiefe Hirnstimulation, die auch bei anderen Erkrankungen wie dem Parkinson-Syndrom angewendet wird. Dafür werden feine Elektroden in tief gelegene Hirnstrukturen implantiert und senden dort sehr schwache elektrische Signale aus, um die gestörte Hirnaktivität ins Gleichgewicht zu bringen. Die Stimulation verschiedener Bereiche, so etwa eines Fasertrakts der sogenannten internen Kapsel oder des subthalamischen Kerns, kann in einigen Fällen die klinischen Symptome verbessern.
Die Forschungsgruppe um Dr. Andreas Horn an der Klinik für Neurologie mit Experimenteller Neurologie der Charité konnte nun erstmals einen bestimmten Fasertrakt als optimales Zielgebiet ausweisen. Dafür untersuchte das Team 50 Patienten mit Zwangsstörungen an verschiedenen Zentren weltweit vor und nach Platzierung der Stimulationselektroden mit moderner Kernspin-Tomographie-Methodik. So konnten umliegende Fasertrakte sichtbar gemacht und geprüft werden, welche davon selektiv durch die Elektroden stimuliert wurden.
Alternative Therapieansätze: Rückenmarksstimulation
Forscher an der Duke University kamen auf die Idee, als Ersatz für diesen schweren Eingriff einfach das Rückenmark zu stimulieren. Bei der Untersuchung von Ratten, die so genetisch verändert worden waren, dass sie Parkinson-Charakteristika zeigten, erkannten die Wissenschaftler, dass Nervenzellgruppen in zwei Bereichen des Gehirns, dem Cortex und den Basalganglien, gleichzeitig feuerten.
Der Forscher schloss daraus, dass ein ähnlicher Ansatz vielleicht auch bei Parkinson funktionieren könnte. Er und sein Student Romulo Fuentes nahmen deshalb Mäuse und Ratten mit Dopamin-Insuffizienz und brachten kleine Platinelektroden an ihr Rückenmark an. Das Implantat selbst lässt sich wesentlich einfacher anbringen als die für die tiefe Hirnstimulation notwendige Technik. Das Risiko unerwünschter Nebenwirkungen ist zudem viel niedriger.
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