Wissenschaftler entwickeln nichtinvasive Ansätze für die elektrische Tiefenhirnstimulation

Gegenwärtige Behandlungen, die elektrische Tiefenhirnstimulation verwenden, erfordern einen Chirurgen, um den Schädel zu öffnen und Elektroden innerhalb des Gehirns zu implantieren. Jetzt, in einer neuen Studie mit Mäusen, zeigen Wissenschaftler einen nichtinvasiven Ansatz namens zeitlich interferierende Stimulation, die Elektroden auf der Kopfhaut verwendet, um Regionen tief im Inneren des Gehirns elektrisch zu stimulieren. Die experimentelle Technik erfordert keine chirurgischen Implantate und stört das Hirngewebe der Oberfläche nicht.
Die Ergebnisse einer kürzlich durchgeführten Studie haben gezeigt, dass DBS nichtinvasiv mit TI-Stimulation durchgeführt werden kann.

In einem in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel ZelleDie Forscher - darunter ein Team des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge - berichten, wie sie die neue zeitlich interferierende (TI) Stimulationsmethode an den Gehirnen von Mäusen getestet haben.

Die Tiefenhirnstimulation (DBS) wurde ursprünglich entwickelt, um die Symptome der Parkinson-Krankheit zu reduzieren, die typischerweise unkontrollierbare Bewegungen, Steifheit, Tremor und Probleme beim Gehen beinhalten.

Bei den derzeitigen Ansätzen für DBS wird elektrische Stimulation durch zwei Elektroden geliefert, die chirurgisch in das Gehirn implantiert werden müssen.

Aufgrund ihrer invasiven Natur tragen solche DBS-Ansätze jedoch das Risiko von Infektionen, Schlaganfällen und Blutungen im Gehirn.

Nichtinvasive Hirnstimulationstechniken - wie die transkranielle Magnetstimulation, die für die Behandlung von Depressionen zugelassen ist - stimulieren sehr effektiv Gewebe nahe der Oberfläche des Gehirns.

Leider sind sie weniger wirksam bei der Stimulierung tiefer Regionen im Gehirn, insbesondere ohne auch die Oberflächenregionen zu stören.

TI-Stimulation zielt selektiv auf tiefe Hirnregionen ab

Die TI-Stimulation beruht auf der Tatsache, dass das Anordnen von Hochfrequenzelektroden auf der Kopfhaut dazu führt, dass die Frequenz von jeder Elektrode zu hoch ist, als dass der Strom Neuronen selbst stimulieren könnte; Die biophysikalischen Eigenschaften der Zellen erlauben ihnen nur, durch niederfrequente Ströme angeregt zu werden.

Wenn die hochfrequenten Ströme jedoch so eingestellt werden, dass ihre Frequenzen leicht unterschiedlich sind, wo sie sich schneiden, können sie einen kleinen Bereich mit niederfrequentem Strom erzeugen, der Neuronen stimulieren kann.

Zum Beispiel ist es möglich, eine Elektrode zu haben, die ein Signal von 4000 Hertz auf einer Seite des Kopfes sendet, und eine andere, die ein Signal von 4,001 Hertz auf der anderen Seite sendet.

Genau das haben die Forscher getan: Sie haben die hochfrequenten Ströme in den Kopfhautelektroden so eingestellt, dass sie sich in einer bestimmten Region tief im Gehirn lebender Mäuse trafen.

Sie testeten zuerst die Methode in physischen Modellen mit Computermodellen, und dann, basierend auf diesen Ergebnissen, führten sie Tests in den Mäusen durch.

Mit Hilfe einer Technik namens c-Fos-Neuronenmarkierung bestätigten sie, dass elektrische Signale von TI nur Hirnzellen in der Zielregion anregten und Neuronen im Oberflächengewebe nicht störten, das von den hochfrequenten Strömen durchflossen wurde.

In ihrer Studie beschreiben die Autoren, wie sie mit der TI-Stimulation den Hippocampus und andere kleine Regionen tief im Gehirn der Mäuse anzielten.

Sie demonstrierten, wie sie die Größe und Position des Zielgebiets tief im Inneren des Gehirns kontrollieren können, indem sie die Frequenzen der elektrischen Signale ändern und die Anzahl und Position der externen Elektroden verändern.

Es war sogar möglich, Teile des motorischen Kortex selektiv zu stimulieren und die Mäuse dazu zu bringen, ihre Barthaare, Ohren, linken Pfoten und rechten Pfoten zu bewegen, merken sie an.

Die Technik kann neue Wege zur Behandlung und Erforschung des Gehirns bieten

Prof. Li-Huei Tsai, einer der Forscher und Professor für Neurowissenschaften am MIT, nutzte 2016 Mäuse, um zu zeigen, dass eine Art von Lichttherapie eine nichtinvasive Behandlung der Alzheimer-Krankheit bieten kann.

Diese Technik lässt flackerndes Licht in die Augen strahlen, um Schwingungen einer bestimmten Frequenz im Gehirn auszulösen, was zu einer Verringerung der Neuronenwerte von Amyloid-Plaques führt - ein bekanntes Kennzeichen der Alzheimer-Krankheit.

Prof. Tsai sagt, dass sie jetzt herausfinden möchte, ob TI-Stimulation eine ähnliche Wirkung haben könnte.

Die Forscher planen auch, die Auswirkungen der TI-Stimulation beim Menschen zu untersuchen. Sie sehen Potenzial, es nicht nur zur Behandlung von Hirnerkrankungen zu nutzen, sondern auch zu untersuchen.

Sie stellen fest, dass die TI-Stimulation möglicherweise nicht in der Lage ist, Gehirnregionen so genau wie DBS anzusteuern, so dass die invasive Technik immer noch die Behandlung der Wahl für die Parkinson-Krankheit sein könnte.

Sie schlagen jedoch vor, dass die nichtinvasive Technik immer noch Patienten mit anderen Erkrankungen - wie Schlaganfall, Gedächtnisverlust und Schädel-Hirn-Trauma - Vorteile bringen kann, die nicht die präzise Auflösung von DBS erfordern.

"Mit der Fähigkeit, Hirnstrukturen nichtinvasiv zu stimulieren, hoffen wir, dass wir dabei helfen können, neue Ziele für die Behandlung von Hirnerkrankungen zu entdecken."

Erstautor Dr. Nir Grossman, Imperial College London, Vereinigtes Königreich

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