Mausstudie: Forscher entwickeln eine nicht-invasive Form der Tiefenhirnstimulation

Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben in Zusammenarbeit mit dem Beth Israel Deaconess Medical Center (BIDMC) und der IT'IS Foundation in der Schweiz eine nicht-invasive Form der Tiefenhirnstimulation entwickelt.

Dieser neue Ansatz könnte die Tiefenhirnstimulation weniger riskant, kostengünstiger und für Patienten mit Parkinson-Krankheit und anderen Erkrankungen zugänglicher machen. Bei dieser neuen Methode müssen keine Elektroden in das Gehirn implantiert werden, sondern Elektroden werden auf die Kopfhaut aufgebracht.

Bisher wurde der neue Ansatz an lebenden Mäusen untersucht, bei denen gezeigt wurde, dass er selektiv tiefe Gehirnstrukturen stimuliert, ohne die Aktivität von Zellen in den darüber liegenden Regionen zu beeinträchtigen. Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Zelle.

„Bei der traditionellen Tiefenhirnstimulation muss der Schädel geöffnet und eine Elektrode implantiert werden, was zu Komplikationen führen kann. Zweitens kann nur eine kleine Anzahl von Menschen diese Art der Neurochirurgie durchführen “, sagt der leitende Autor Ed Boyden, Associate Professor für Biotechnik sowie Gehirn- und Kognitionswissenschaften am MIT.

Die traditionelle Tiefenhirnstimulation wurde bei vielen Patienten mit Parkinson-Krankheit erfolgreich eingesetzt. Es wurde auch zur Behandlung einiger Patienten mit Zwangsstörungen, Epilepsie und Depressionen eingesetzt und wird derzeit zur Behandlung von Autismus untersucht. Der neue, nicht-invasive Ansatz könnte es einfacher machen, die Tiefenhirnstimulation anzupassen, um zusätzliche Störungen zu behandeln, sagen die Forscher.

"Mit der Fähigkeit, Gehirnstrukturen nicht-invasiv zu stimulieren, hoffen wir, dass wir dabei helfen können, neue Ziele für die Behandlung von Hirnstörungen zu finden", sagt der Hauptautor des Papiers, Nir Grossman, ein ehemaliger Postdoc des Wellcome Trust-MIT, der am MIT und am BIDMC arbeitet ist jetzt wissenschaftlicher Mitarbeiter am Imperial College London.

Bei der Behandlung der Parkinson-Krankheit werden Elektroden typischerweise im Nucleus subthalamicus platziert, einer linsenförmigen Struktur, die sich unterhalb des Thalamus tief im Gehirn befindet. Es wurde gezeigt, dass elektrische Impulse, die an diese Region des Gehirns abgegeben werden, viele Krankheitssymptome verbessern. Die zur Implantation der Elektroden erforderliche Operation birgt jedoch Risiken, einschließlich Gehirnblutungen und Infektionen.

Andere Forscher haben versucht, das Gehirn nichtinvasiv mit Techniken wie der transkraniellen Magnetstimulation (TMS) zu stimulieren, die von der FDA zur Behandlung von Depressionen zugelassen ist. Da TMS nicht invasiv ist, wurde es auch bei normalen Menschen verwendet, um die Grundlagen der Erkenntnis, Emotion, Empfindung und Bewegung zu studieren.

Die Verwendung von TMS zur Stimulation tiefer Hirnstrukturen kann jedoch auch dazu führen, dass Oberflächenregionen stark stimuliert werden, was zur Modulation mehrerer Hirnnetzwerke führt.

Die MIT-Forscher fanden heraus, wie sie über Elektroden auf der Kopfhaut tief im Gehirn elektrische Stimulation abgeben können, indem sie ein Phänomen ausnutzen, das als zeitliche Interferenz bekannt ist.

Diese Strategie erfordert die Erzeugung von zwei hochfrequenten elektrischen Strömen unter Verwendung von Elektroden außerhalb des Gehirns. Diese Felder sind zu schnell, um Neuronen anzutreiben. Diese Ströme stören sich jedoch so, dass dort, wo sie sich tief im Gehirn schneiden, ein kleiner Bereich niederfrequenten Stroms in Neuronen erzeugt wird. Dieser niederfrequente Strom kann verwendet werden, um die elektrische Aktivität von Neuronen anzutreiben, während der hochfrequente Strom ohne Wirkung durch das umgebende Gewebe fließt.

Durch Einstellen der Frequenz dieser Ströme und Ändern der Anzahl und Position der Elektroden können die Forscher die Größe und Position des Gehirngewebes steuern, das die niederfrequente Stimulation erhält. Sie können Orte tief im Gehirn anvisieren, ohne die umgebenden Gehirnstrukturen zu beeinflussen. Sie können auch den Ort der Stimulation steuern, ohne die Elektroden zu bewegen, indem sie die Ströme ändern. Auf diese Weise könnten tiefe Ziele sowohl für therapeutische Zwecke als auch für grundlegende wissenschaftliche Untersuchungen stimuliert werden.

"Sie können tiefe Ziele anstreben und die darüber liegenden Neuronen schonen, obwohl die räumliche Auflösung noch nicht so gut ist wie die der tiefen Hirnstimulation", sagt Boyden, Mitglied des Media Lab des MIT und des McGovern Institute for Brain Research.

Li-Huei Tsai, Direktorin des Picower-Instituts für Lernen und Gedächtnis des MIT, und Forscher in ihrem Labor testeten diese Technik an Mäusen und stellten fest, dass sie kleine Regionen tief im Gehirn, einschließlich des Hippocampus, stimulieren können. Sie waren auch in der Lage, die Stimulationsstelle zu verschieben, wodurch sie verschiedene Teile des motorischen Kortex aktivieren und die Mäuse auffordern konnten, ihre Gliedmaßen, Ohren oder Schnurrhaare zu bewegen.

„Wir haben gezeigt, dass wir sehr genau auf eine Gehirnregion abzielen können, um nicht nur neuronale Aktivierung, sondern auch Verhaltensreaktionen hervorzurufen“, sagt Tsai. "Ich finde es sehr aufregend, weil die Parkinson-Krankheit und andere Bewegungsstörungen aus einer ganz bestimmten Region des Gehirns zu stammen scheinen. Wenn Sie darauf abzielen können, haben Sie das Potenzial, sie umzukehren."

Bezeichnenderweise aktivierte der neue Ansatz nicht die Neuronen im Kortex, der Region, die zwischen den Elektroden am Schädel und dem Ziel tief im Gehirn liegt. Die Forscher fanden auch keine schädlichen Wirkungen in irgendeinem Teil des Gehirns.

Quelle: Massachusetts Institute of Technology