Gehirnscans zeigen die Auswirkungen der therapeutischen Hirnstimulation

Erstaunliche neue Forschungsergebnisse liefern Klinikern visuelle Beweise für Hirnnetzwerke und wie die elektrische Stimulation des Gehirns dazu beiträgt, bestimmte Hirnregionen zurückzusetzen oder zu stimulieren.

Es ist allgemein bekannt, dass die Stimulation des Gehirns durch Elektrizität oder andere Mittel dazu beitragen kann, die Symptome verschiedener neurologischer und psychiatrischer Störungen zu lindern. Klinische Praxen verwenden diesen Ansatz häufig zur Behandlung von Erkrankungen, die von Epilepsie bis zu Depressionen reichen.

Aber was passiert wirklich, wenn Ärzte das Gehirn zappen?

Es ist wenig darüber bekannt, was diese Technik effektiv macht oder welche Bereiche des Gehirns zur Behandlung verschiedener Krankheiten eingesetzt werden sollten.

Eine neue Studie der University of Pennsylvania und der University at Buffalo ist ein Fortschritt, um diese Wissenslücken zu schließen. Die Forschung beschreibt, wie die Stimulation einer einzelnen Region des Gehirns die Aktivierung anderer Regionen und die Aktivität im Gehirn in großem Maßstab beeinflusst.

"Wir haben kein gutes Verständnis für die Auswirkungen der Hirnstimulation", sagte die Erstautorin Sarah Muldoon, Ph.D., eine Assistenzprofessorin für Mathematik an der Universität in Buffalo

„Wenn ein Kliniker einen Patienten mit einer bestimmten Störung hat, wie kann er dann entscheiden, welche Teile des Gehirns stimuliert werden sollen? Unsere Studie ist ein Schritt, um besser zu verstehen, wie die Konnektivität des Gehirns diese Entscheidungen besser beeinflussen kann. “

„Wenn man sich die Architektur des Gehirns ansieht, scheint es sich um ein Netzwerk miteinander verbundener Regionen zu handeln, die auf komplizierte Weise miteinander interagieren. Die Frage, die wir in dieser Studie gestellt haben, war, wie viel des Gehirns durch die Stimulation einer einzelnen Region aktiviert wird.

"Wir haben festgestellt, dass einige Regionen in der Lage sind, das Gehirn bei Stimulation sehr leicht in eine Vielzahl von Zuständen zu lenken, während andere Regionen eine geringere Wirkung haben", sagte Dr. Danielle S. Bassett, Associate Professor für Bioengineering in die Universität von Pennsylvania School of Engineering and Applied Science.

Die Forschung wurde in Zusammenarbeit mit dem kognitiven Neurowissenschaftler Jean M. Vettel, Ph.D., vom Army Research Laboratory durchgeführt; Kontrolltheoretiker Fabio Pasqualetti von der University of California, Riverside; Scott T. Grafton, M. D., und Matthew Cieslak von der University of California, Santa Barbara; und Shi Gu von der Abteilung für Psychiatrie der Universität von Pennsylvania.

Die Studie, veröffentlicht in PLOS Computational Biologyverwendeten ein Rechenmodell, um die Gehirnaktivität bei acht Personen zu simulieren, deren Gehirnarchitektur unter Verwendung von Daten abgebildet wurde, die aus der Diffusionsspektrum-Bildgebung abgeleitet wurden. Diese Bildgebungstechnik erzeugt eine Art Gehirnbild, das von einem MRT-Scanner aufgenommen wird.

Die Forscher untersuchten die Auswirkungen der Stimulation jeder der 83 Regionen im Gehirn jedes Probanden. Während die Ergebnisse von Person zu Person unterschiedlich waren, zeigten sich gemeinsame Trends.

Netzwerk-Hubs - Bereiche des Gehirns, die über die weiße Substanz des Gehirns stark mit anderen Teilen des Gehirns verbunden sind - zeigten, was Forscher als „hochfunktionellen Effekt“ bezeichnen. Sie entdeckten, dass die Stimulation dieser Regionen zur globalen Aktivierung vieler Gehirnregionen führte.

Dieser Effekt war besonders bemerkenswert in zwei Teilnetzen des Gehirns, von denen bekannt ist, dass sie mehrere regionale Hubs enthalten.

Die Bereiche umfassen das subkortikale Netzwerk (das sich aus Regionen zusammensetzt, die sich relativ früh entwickelt haben und für die Emotionsverarbeitung kritisch sind) und das Netzwerk im Standardmodus (das sich aus Regionen zusammensetzt, die sich später entwickelt haben und für die selbstreferenzielle Verarbeitung kritisch sind, wenn sich eine Person befindet in Ruhe oder ohne Aufgabe).

Stimulierende Regionen im subkortikalen Netzwerk gipfelten in globalen Veränderungen, in denen eine Vielzahl von Bereichen im Gehirn eines Subjekts aufleuchtete.

Das Stimulieren von Regionen im Standardmodus-Netzwerk führte auch leicht zu einer Vielzahl neuer Gehirnzustände, obwohl die Aktivierungsmuster durch die zugrunde liegende Architektur des Gehirns eingeschränkt wurden - durch die Verbindungen der weißen Substanz zwischen den Knoten des Netzwerks und anderen Teilen des Gehirns.

Trotz dieser Einschränkung unterstützt die Agilität des Netzwerks die Idee, dass das Gehirn in „Ruhe“ gut geeignet ist, um schnell in eine Reihe neuer Zustände zu wechseln, die auf die Erfüllung bestimmter Aufgaben ausgerichtet sind.

Im Gegensatz zu Regionen innerhalb des Standardmodus-Netzwerks und subkortikaler Netzwerke hatten schwächere Bereiche wie der sensorische und Assoziationskortex bei Aktivierung einen geringeren Einfluss auf die Gehirnaktivität.

Diese Muster deuten darauf hin, dass Ärzte bei der Hirnstimulation zwei Therapieklassen verfolgen könnten: einen „breiten Reset“, der die globale Gehirndynamik verändert, oder einen gezielteren Ansatz, der sich auf die Dynamik nur einiger Regionen konzentriert.

Die Studie bestätigt die Ergebnisse früherer Forschungen von Bassett und anderen zur Kontrollierbarkeit der strukturellen Netzwerke des Gehirns. Im Gegensatz zu früheren Arbeiten, bei denen lineare Modelle verwendet wurden, um zu Ergebnissen zu gelangen, wurden in der neuen Studie nichtlineare Modelle verwendet, die die komplexe Aktivität des Gehirns genauer widerspiegeln, sagte Muldoon.

Quelle: Universität von Buffalo

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