Erstmals präzise Vermessung magnetischer Gehirnaktivität unter Wechselstrom-Stimulation

Die sog. transkranielle elektrische Stimulation (tES) wird seit vielen Jahren in der Behandlung neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen, z.B. Depressionen, Epilepsien oder Schlaganfällen, eingesetzt. Allerdings sind die genauen Wirkmechanismen der Stimulation weitgehend ungeklärt. Das neue Verfahren ermöglicht nun, diese Wirkmechanismen genauer aufzuklären und die Stimulation für den klinischen Einsatz weiter zu verbessern.

Die Wirkung elektrischer Ströme auf das menschliche Gehirn ist seit Jahrhunderten bekannt und wird in der Behandlung verschiedener Erkrankungen, z.B. schwerer Depressionen, Schlaganfall, Epilepsien, Parkinson oder chronischer Schmerzen, genutzt.

Vor allem die sog. transkranielle elektrische Stimulation (tES), bei der schwache Ströme über zwei oder mehr am Kopf befestigte Elektroden abgegeben werden, wurde in den letzten Jahren klinisch umfangreich getestet. Doch die genauen Wirkmechanismen der tES sind bis heute weitgehend ungeklärt, da es kein geeignetes Verfahren gab, um die extrem schwache elektrische und magnetische Aktivität des Gehirns zeitgleich während der Stimulation zu messen.
Die Störsignale der Stimulation überlagerten die physiologische Aktivität um ein Vielfaches, so dass es lediglich möglich war, Veränderungen der Hirnaktivität nach Ausschalten der Stimulation zu untersuchen.

2013 haben es Tübinger Wissenschaftlicher erstmals geschafft, neuromagnetische Aktivität im Millisekunden-Bereich während transkranieller Gleichstromstimulation (eng. transcanial direct current stimulation, tDCS) störungsfrei zu messen (Soekadar et al. 2013, Nature Communications). Hierdurch wurde es möglich, Veränderungen magnetischer Hirnaktivität unmittelbar während der Stimulation zu untersuchen (Garcia-Cossio et al. 2015, NeuroImage). Änderte der Strom jedoch rhythmisch seine Richtung, ein Stimulationsverfahren, das man als Wechselstromstimulation (engl. transcranial alternating current stimulation, tACS) bezeichnet, konnten die hirneigenen Rhythmen nicht mehr sicher von den Störsignalen der Stimulation unterschieden werden.

Die Effekte der Wechselstrom-Stimulation werden der Phasen-Angleichung zwischen hirneigenen Rhythmen und dem angelegten Stimulationssignal zugeschrieben, ein Phänomen das man als „Entrainment“ bezeichnet.

Nun ist es durch den Einsatz eines neuartigen Stimulationsverfahrens in Tübingen erstmals gelungen, die hirneigenen Rhythmen von den Störsignalen sicher zu trennen und somit magnetische Gehirnaktivität während tACS störungsfrei und millimeter-präzise zu vermessen.

Durch Amplituden-Modulation eines hochfrequenten Stimulationssignals, das außerhalb der Frequenzen hirneigener Rhythmen schwingt, wird die Kontamination physiologischer Signale vermieden, während sich die Phase hirneigener Rhythmen dem Modulationssignal angleicht.

Von der Stimulation beeinflusste Hirnareale können auf diese Weise genau identifiziert und stimulationsabhängige Veränderungen in deren neuromagnetischer Aktivität untersucht werden. Die Forscher hoffen, dass die genauen Wirkmechanismen der transkraniellen Wechselstromstimulation nun genauer aufgeklärt werden können.

Insbesondere „die individuelle Anpassung an die anatomischen Gegebenheiten sowie die neurophysiologische Wirkung während der Stimulation“ seien wichtige Perspektiven, um die transkranielle elektrische Hirnstimulation im klinischen Einsatz zu optimieren, so Dr. med. Surjo R. Soekadar, Leiter der Arbeitsgruppe Angewandte Neurotechnologie am Universitätsklinikum Tübingen. „In einem nächsten Schritt ist zum Beispiel denkbar, dass die Stimulation im Sinne eines sog. closed-loop Ansatzes in Echtzeit auf die individuelle Hirnaktivität angepasst wird und somit die Effekte der Stimulation besser gesteuert werden können“ ergänzt Matthias Witkowski, Erst-Autor der Studie.

Die Arbeit der Wissenschaftler ist ab sofort im international renommierten Fachjournal “NeuroImage” unter http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1053811915009349 online abrufbar.

Medienkontakt
Universitätsklinikum Tübingen
Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie
Birgit Teufel
Arbeitsgruppe Angewandte Neurotechnologie
Tel. 07071 29-82624
E-Mail birgit.teufel@med.uni-tuebingen.de

Veröffentlichungen

Witkowski M, Cossio EG, Chander BS, Braun C, Birbaumer N, Robinson SE, Soekadar SR. Mapping entrained brain oscillations during transcranial alternating current stimulation (tACS). Neuroimage. 2015 (in press). pii: S1053-8119(15)00934-9. doi: 10.1016/j.neuroimage.2015.10.024.

Garcia-Cossio E, Witkowski M, Robinson SE, Cohen LG, Birbaumer N, Soekadar SR. Simultaneous transcranial direct current stimulation (tDCS) and whole-head magnetoencephalography (MEG): assessing the impact of tDCS on slow cortical magnetic fields. Neuroimage. 2015 (in press). pii: S1053-8119(15)00891-5. doi: 10.1016/j.neuroimage.2015.09.068.

Soekadar SR, Witkowski M, Cossio EG, Birbaumer N, Robinson SE, Cohen LG. In vivo assessment of human brain oscillations during application of transcranial electric currents. Nat Commun. 2013;4:2032. doi: 10.1038/ncomms3032.

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