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Transkranielle Hirnstimulation gegen Müdigkeit

Das bleierne Gefühl nach zu wenig Schlaf kennt vielleicht jeder von uns. Eine krankhafte oder chronische Müdigkeit über Monate kann jedoch ein Symptom für eine zugrundeliegende ernste Erkrankung sein. Dr. Lukas Frase hat mit dem Team von Prof. Dr. Christoph Nissen an der Freiburger Uniklinik für Psychiatrie und Psychotherapie ein Versuchsdesign entworfen, mit dem Patienten mit krankhaft erhöhtem Schlafbedürfnis durch schwache Elektrostimulation geholfen werden soll. Die Müdigkeit könnte so reduziert und die Aufmerksamkeit gesteigert werden.

Hat sich der Forschung über den Schlaf-Wach-Rhythmus verschrieben: Dr. Lukas Frase. © Dr. Lukas Frase, Uniklinik Freiburg

Wachheit und Schlaf sind fundamentale physiologische Prozesse und zu biologisch sinnvollen Zeiten eine überlebenswichtige Notwendigkeit. Wie der Schlaf-Wach-Rhythmus molekular und elektrophysiologisch reguliert wird, ist noch relativ unklar. „Dieses Phänomen kennt zwar jeder und erlebt es täglich, jedoch ist es wissenschaftlich sehr schwer zu greifen“, sagt Dr. Lukas Frase an der Psychiatrie und Psychotherapie der Uniklinik Freiburg. Eine pathologische Müdigkeit besteht im Zusammenhang mit einem Leidensdruck, ausgelöst etwa durch Burnout, Depressionen, Angststörungen, Hirnschädigungen, Tumoren und vieles mehr. 10 bis 15 Prozent der Deutschen klagen über chronische Schlafstörungen; die Gründe dafür sind vielfältig.

Frase nennt als die drei häufigsten Ursachen das Schlafapnoe-Syndrom, den Eisenmangel und die Schilddrüsenunterfunktion. Bei den meisten Menschen lässt sich die ausgeprägte Tagesmüdigkeit auf Atemstillstände während des Nachtschlafs (Apnoe) zurückführen. Dies geschieht bis zu 40-mal in der Stunde und resultiert in einem sehr unerholsamen Schlaf. Hirnläsionen etwa durch Unfall, Entzündung oder Schlaganfall gehen fast immer mit einem erhöhten Schlafbedürfnis einher. Möglicherweise laufen dann Reparaturprozesse auf Hochtouren.

Glossar

  • Neuron ist der Fachausdruck für Nervenzelle. Diese besteht aus einem Zellkörper, einem Axon und Dendriten.
  • Neurotransmission ist der Fachbegriff für die Kommunikation zwischen Neuronen, die durch elektrische oder chemische Synapsen ermöglicht wird.
  • Ein Tumor ist eine Gewebsschwellung durch abnormales Zellwachstum, die gutartig oder bösartig sein kann. Gutartige (benigne) Tumore sind örtlich begrenzt, während Zellen bösartiger (maligner) Tumore abgesiedelt werden können und in andere Gewebe eindringen können, wo sie Tochtergeschwulste (Metastasen) verursachen.
  • Die Pathologie ist ein Teilgebiet der Medizin, das sich mit der Erforschung und Lehre von den Ursachen, der Entstehung, der Verlaufform und der Auswirkungen von krankhaften Symptomen sowie von Missbildungen beschäftigt.
  • Physiologie ist die Lehre von den biochemischen und physikalischen Vorgängen in Zellen, Geweben und Organen der Lebewesen.
  • Die Parkinson-Krankheit (auch: Morbus Parkinson) ist eine langsam fortschreitende degenerative Erkrankung des Gehirns. Ausgelöst wird sie durch das Absterben von Dopamin ausschüttenden Nervenzellen im Gehirn. Dadurch kommt es zu einem Mangel an Dopamin und zu einer verminderten Aktivität der sog. Basalganglien, die wichtig für die Kontrolle der Motorik sind. Die fortschreitende Störung der Motorik äußert sich in den typischen Parkinson-Symptomen Muskelstarre, Muskelzittern Bewegungsarmut, sowie Haltungsinstabilität.
  • Die Elektroenzephalografie (EEG) ist eine diagnostische Methode mit der man die elektrische Aktivität des Gehirns durch Aufzeichnung der Spannungsschwankungen an der Kopfoberfläche messen kann. Graphisch dargestellt wird dies als sogenanntes Elektroenzephalogramm (ebenfalls EEG).
  • Der Metabolismus oder auch Stoffwechsel umfasst Aufnahme, Transport, biochemische Umwandlung und Ausscheidung von Stoffen in einem Organismus. Diese Vorgänge dienen sowohl dem Aufbau der Körpersubstanz als auch der Energiegewinnung. Die beiden gegensätzlichen Vorgänge des Metabolismus werden Anabolismus (aufbauende Vorgänge) und Katabolismus (abbauende Vorgänge) genannt. Viele Enzyme können sowohl katabol als auch anabol wirken, jedoch arbeiten solche Enzyme innerhalb eines biochemischen Weges in der Zelle (z.B. Glykolyse und Gluconeogenese) nicht in beiden Richtungen zugleich.

Arousal bei Patienten mit Schlafstörungen oft verringert

Wach und ausgeschlafen fühlen wir uns, wenn das Gehirn eine angemessen hohe Aktivierbarkeit aufweist. Dieser Aktivierbarkeitsgrad nennt sich in der Psychologie Arousal. Er lässt sich über Aufmerksamkeits- und Reaktionstests messen. Bei Menschen mit beispielsweise Parkinson oder Depressionen findet man einen niedrigeren Arousal-Level als bei Gesunden. Die Folge ist ein extremes Schlafbedürfnis. Während des Schlafs sind Arousalprozesse generell verringert, treten jedoch als Mikroarousals oder Wachsignale mehrmals in der Nacht für wenige Millisekunden auf, ohne dass wir es bemerken. „Im EEG können wir sehen, dass der gesunde Mensch bis zu 90-mal pro Nacht hochschreckt, sich umdreht und weiterschläft“, sagt Frase, „am nächsten Morgen sagt er, er habe durchgeschlafen.“

Frase untersucht insbesondere Schlafstörungen und Tagesmüdigkeit ohne erkennbare organische Erkrankung. Mit seiner aktuellen Machbarkeitsstudie möchte er im Team von Prof. Dr. Christoph Nissen auffällige Wachheit und Müdigkeit untersuchen und die Regulation von Arousal und Schlaf besser verstehen. Die Idee dabei ist, die Gesamtschlafzeit bei Patienten mit krankhafter Müdigkeit oder extremer Schlaflosigkeit durch Elektrostimulation herab- oder heraufzusetzen. Herkömmliche Therapien wie Medikamente sind zwar gute Ansätze, bergen aber Risiken wie Nebenwirkungen und Abhängigkeit und sind für eine medizinische Langzeitbehandlung nicht befriedigend.

Physiologische Modulation durch transkranielle Gleichstromstimulation

Forscher Frase höchstselbst lässt sich für einen Versuch mit dem EEG verkabeln. © Dr. Lukas Frase, Uniklinik Freiburg

Die Aktivität von Neuronen lässt sich gezielt mit einer nichtinvasiven Methode elektrisch modulieren, indem man über Kontaktelektroden am Kopf eine schwache Gleichspannung anlegt (transkranielle Gleichstromstimulation). Die geringe Spannung verändert im darunter gelegenen Gehirn das Membranpotenzial und verursacht nur ein leichtes Kribbeln auf der Kopfhaut. Die transkranielle Hirnstimulation wird am ehesten bei Krankheiten angewendet, bei denen es ein Aktivierungsdefizit oder einen Aktivierungsüberschuss in bestimmten Hirnregionen gibt. Es gilt, die Grundbereitschaft von Hirnarealen physiologisch zu modulieren. „Man erzeugt ein elektrisches Feld, das je nach Polarität auf darunterliegende Nervenzellgebiete einen erregungsbereitschaftssteigernden oder -hemmenden Einfluss entfaltet“, so der Arzt und Wissenschaftler. Die Tests wurden mit gesunden Probanden durchgeführt, die vor dem Schlafengehen mehrere Nächte hintereinander eine halbstündige aktivierende, hemmende oder neutrale Hirnstimulation bekamen. Im EEG wurden die Aktivitäten des Gehirns über die gesamte Zeit der Stimulation und des Schlafs festgehalten.

Strom verändert Schlafparameter

Die Hypothese der Freiburger Forscher lautete, dass die frontale Aktivierung oder Deaktivierung per transkranieller Stimulation zur Verbesserung oder Verschlechterung von Parametern der Schlafkontinuität führt. Die Studie will erstmals einen Zusammenhang zwischen dem Aktivierungslevel im frontalen Kortex (Hirnrinde) und der Schlafdauer zeigen. Aktuelle Therapien mit Medikamenten zielen auf Kerngebiete im Hirnstamm ab, dort, wo die Steuerung von Arousal oder Schlaf ihren Ursprung hat und bestimmt, in welchem Erregungszustand sich die Hirnrinde befindet. Schlafmittel beeinflussen vor allem die Neurotransmission im Hirnstamm.

Frase testet eine neue Herangehensweise und setzt an der anderen Seite des Signalwegs am präfrontalen Kortex an, von wo aus sogenannte langsame Wellen (Slow Waves) ausgehen, die das Hirn für den Schlaf in einen hochsynchronisierten Ruhezustand versetzen. Ist man wach, ist der Metabolismus im präfrontalen Kortex erhöht, das Gehirn ist desynchronisiert und es lassen sich keine Rhythmen voneinander abgrenzen. „Wir gehen davon aus, dass auch die Hirnrinde in der Lage ist, über Rückkopplungsprozesse auf die Schlafzentren einzuwirken und diese langsamen Rhythmen auszubilden“, erklärt er. EEG-Studien zeigen, dass die Slow Waves sich über das ganze Hirn ausbreiten und für Beginn und die Aufrechterhaltung von Schlaf verantwortlich sind. Frase möchte diesen Weg nutzen, um durch Hirnstimulation neue Therapieimpulse bei gestörtem Schlaf oder Arousal zu liefern. Slow Waves zu generieren, ist nur leider nicht so einfach.

Anodale Stimulation setzt Gesamtschlafzeit herab

Mit dem EEG lassen sich Zustände im Gehirn auch während des Schlafs genau analysieren. Die Slow Waves, wie sie nur im Tiefschlaf auftreten, sind im 3. und 4. Bild als Delta Waves erkennbar. © Remus von Lucadou, Uniklinik Freiburg

Leichter ist es, eine Bereitschaftsaktivierung des präfrontalen Areals durch den Pluspol (anodal) zu erwirken, was eher einen wachen Zustand zur Folge hat. Frase und seine Kollegen konnten zeigen, dass durch die transkranielle Hirnstimulation mit schwachem Gleichstrom von zwei Milliampere Aktivitätsänderungen in der Großhirnrinde der Patienten hervorgerufen werden konnten. Die Maßnahme bewirkte am präfrontalen Kortex ein erhöhtes Arousal, einen Zustand, den man als aufmerksam und wach erlebt. In Folge verringerte sich die Gesamtschlafzeit der Probanden durchschnittlich um etwa 30 Minuten pro Nacht im Vergleich zur Kontrollgruppe. Dabei ist die Schlafarchitektur nicht berührt worden. Denn die Wachperioden waren offenbar nicht häufiger, sondern jeweils länger.

Hingegen gelang es den Forschern wider Erwarten nicht, mit kathodaler Stimulation (Minuspol) der Hirnrinde eine verlängerte Gesamtschlafzeit zu erzielen. Dies erklärt Frase mit dem Sättigungseffekt: “Gesunde schlafen 90 Prozent der Nacht, da ist wenig Spielraum, noch mehr zu schlafen.“ Er sieht das größte klinische Anwendungspotenzial momentan darin, bei abnormer Tagesschläfrigkeit sowie niedrigem Arousal (etwa bei Hypersomnia) die Wachheit und Aufmerksamkeit zu verbessern. Eindeutig gelungen ist dies bereits bei einem reanimierten Patienten, der nach einem anaphylaktischen Schock durch Bienenstiche zehn Jahre lang unter extremer Müdigkeit litt: Nach dreimonatiger Therapie mit transkranieller Gleichstromstimulation konnte der Tagschlaf um eine Stunde gesenkt und seine Aufmerksamkeitsleistung deutlich verbessert werden. Dies lässt eine Weiterentwicklung dieser nichtinvasiven Therapieform erfolgversprechend erscheinen – zumal sie aufgrund ihrer Einfachheit selbst zu Hause durchführbar ist und keine Nebenwirkungen oder Risiken aufweist.

Literatur:

Frase L, Piosczyk H, Zittel S, Jahn F, Selhausen P, Krone L, Feige B, Mainberger F, Maier JG, Kuhn M, Klöppel S, Normann C, Sterr A, Spiegelhalder K, Riemann D, Nitsche MA, Nissen C. Modulation of Total Sleep Time by Transcranial Direct Current Stimulation (tDCS). Neuropsychopharmacol. 2016. doi: 10.1038/npp.2016.65.

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