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Handmotorik: Neurowissenschaftler modulieren Motornetzwerk im menschlichen Gehirn

Neurowissenschaftlern ist es erstmals gelungen, mittels gezielter nicht-invasiver Hirnstimulation die Verbindungen ausgewählter Areale im Gehirn, die für die Handmotorik verantwortlich sind, zu verbessern. Die Forscher um Ulf Ziemann stimulierten den primären Motorkortex (M1), die Kommandozentrale für Bewegungsabläufe im Gehirn und das supplementär-motorische Areal (SMA). Dieses Areal gibt den Startschuss für den Beginn einer Bewegung. Erzielt haben die Forscher dieses Resultat mit einer transkraniellen Magnetstimulation (TMS). Ihnen ist damit zum ersten Mal eine lang andauernde bi-direktionale Modulation der Signalübertragungswege zwischen diesen beiden Bereichen gelungen. Der Effekt war mehr als 30 Minuten nachweisbar. Das belegt die im Journal of Neuroscience erschienene Studie. Die gewonnenen Erkenntnisse geben den Wissenschaftlern einen tieferen Einblick in die Fähigkeit des Gehirns, gestörte Verbindungen zu reparieren. Ziel ist es, neue Therapiestrategien für Schlaganfall-Patienten zu entwickeln.

Prof. Ulf Ziemann, Vorstand Hertie-Institut für klinische Hirnforschung (HIH) und Ärztlicher Direktor © UKT Tübingen

Die Bewegungsplanung und Umsetzung erfolgt in einem komplexen System aus unterschiedlichen Hirnarealen. Sie sind als Motornetzwerke zusammengeschlossen. Der primäre Motorkortex (M1) ist für die Realisierung der Bewegung verantwortlich und nimmt Einfluss auf die Bewegungsrichtung und die Kontraktionskraft. Eine Schlüsselrolle bei der Initiierung von Handbewegungen hat das supplementär-motorische Areal (SMA). „Je komplexer selbstinitiierte Bewegungen sind, desto früher und stärker ist das supplementär-motorische Areal beteiligt“, sagt Ulf Ziemann, Vorstand Hertie-Institut für klinische Hirnforschung (HIH) und Ärztlicher Direktor, Allgemeine Neurologie, Neurologische Universitätsklinik Tübingen.

Die Fähigkeit des Nervensystem zu lernen, zeigt sich auf allen Organisationsebenen des Gehirns: in der Nervenzelle, innerhalb von Nervenzellverbänden, innerhalb einzelner Hirnareale und zwischen miteinander verbundenen Hirnregionen. Das Patienten nach einer Hirnschädigung bestimmte Bewegungen wieder erlernen können, liegt an dieser sogenannten Plastizität. „Diese Fähigkeit wollen wir vor allem bei Schlaganfall-Patienten gezielt aktivieren. Sie leiden in vielen Fällen an einer leichten oder unvollständigen Lähmung einer Hand. Wir haben deshalb gezielt, vorerst am gesunden Probanden, die miteinander verbundenen Hirnregionen stimuliert, die für die Bewegung der Hand verantwortlich sind“, erläutert Ziemann die Beweggründe für die Studie.

Gezielte elektrische Impulse für das Gehirn

Die transkranielle Magnetstimulation (TMS) funktioniert nach dem physikalischen Prinzip der elektromagnetischen Induktion. Durch eine auf den Kopf aufgelegte Reizspule fließt ein kurzer Strompuls, der ein Magnetfeld um die Spule herum induziert. Dieses Magnetfeld wiederum induziert in einem weiteren Konduktor, in diesem Fall der Großhirnrinde, auch Kortex genannt, einen Stromfluss. Dieser führt zur Erregung von Nervenfasern und schließlich Nervenzellverbänden. In der aktuellen Studie verwendeten die Neurowissenschaftler eine gepaarte assoziative Stimulation, kurz PAS. Dieses nicht-invasive Hirnstimulationsprotokoll ermöglicht es, die Funktion des motorischen Systems gezielt zu beeinflussen. „Wir wissen, aus Ergebnissen der Grundlagenforschung und aus Tierexperimenten, dass eine räumlich und zeitlich verbundene assoziative Reizung eine langfristige bidirektionale Verstärkung oder Abschwächung der synaptischen Signalübertragung zwischen Nervenzellen hervorrufen kann“, sagt Ziemann. Diesen Effekt nennen Neurowissenschaftler Spike-Timing Dependent Plasticity (STDP), oder zeitabhängige Plastizität. STDP ist ein wichtiges Modell für plastische Veränderungen in neuronalen Netzwerken und ein neuronaler Mechanismus für Lernen und adaptive Prozesse im Gehirn. Diese Erkenntnisse haben wir genutzt, um erstmals eine TMS-induzierte STDP-ähnliche Plastizität auf der Systemebene eines kortikalen Netzwerks zu induzieren, so der Experte weiter. Bei den gesunden Probanden äußerte sich dies in einer lang andauernden bidirektionalen Modulation der Signalübertragungswege zwischen M1 und SMA. Welchen Einfluss diese Netzwerkmodulation auf die motorische Handfunktion hat, muss in weiteren Studien untersucht werden.

Neue Therapiekonzepte für Schlaganfall-Patienten

Bei vielen Schlaganfall-Patienten lässt sich durch konventionelles physiotherapeutisches Training keine ausreichende Verbesserung der Handmotorik erzielen. „Unser Ziel ist es, das Plastizitätspotential des Gehirns von Patienten nach Schlaganfall durch gezielte nicht-invasive Hirnstimulation intensiver zu nutzen. Vorstellbar wäre ein motorisches Training unter assoziativer TMS des SMA-M1 Netzwerkes“, sagt Ziemann. Ein physiologischer Schritt beim motorischen Lernen ist, so die Vermutung der Experten, die Bildung neuer motorischer Engramme. Also die Spur, die eine Reizweinwirkung, wie die transkranielle Magnetstimulation, als dauernde strukturelle Änderung im Gehirn hinterlässt. „Mit einer TMS-induzierten STDP-ähnlichen Plastizität, wie wir sie in unserer Studie bereits bei gesunden Probanden erzielt haben, könnte uns dies gelingen“, erläutert Ziemann den zugrunde liegenden Mechanismus einer möglichen neuen Therapie. Die Entwicklung innovativer neurorehabilitativer Therapiestrategien bei Patienten nach Schlaganfall ist von immenser Bedeutung: in Deutschland erleiden jährlich rund 250.000 Menschen einen Schlaganfall. Er ist die häufigste Ursache für eine anhaltende Behinderung.

Glossar

  • Neuron ist der Fachausdruck für Nervenzelle. Diese besteht aus einem Zellkörper, einem Axon und Dendriten.
  • Die Neurowissenschaften sind ein Sammelbegriff für Disziplinen der Biologie, Psychologie und Medizin, die sich mit dem Aufbau und der Funktionsweise von Nervensystemen befassen und die Störungen und Krankheiten dieser Systeme untersuchen.
  • Die Neurologie ist ein Teilgebiet der Medizin und befasst sich mit den Erkrankungen des Nervensystems.
  • Synapsen sind die Kontaktstellen zwischen Nervenzellen untereinander bzw. Nervenzellen und anderen Zellen (z.B. Muskelzellen). In chemischen Synapsen wird ein ankommender elektrischer Impuls der Nervenzelle in ein chemisches Signal umgewandelt: Es werden sogenannte Neurotransmitter ausgeschüttet, die wiederum die Zielzelle zur Erzeugung eines elektrischen Impulses anregen.
  • Physiologie ist die Lehre von den biochemischen und physikalischen Vorgängen in Zellen, Geweben und Organen der Lebewesen.
  • Plastizität ist die Eigenschaft von Organismen, ihre Merkmalsausprägungen unter Einfluss von Umweltfaktoren zu verändern. Unter neuronaler Plastizität versteht man die Eigenschaft von Nervenzellen, sich in Abhängigkeit von ihrer Aktivität in ihren Antworteigenschaften zu verändern. Meist wird dabei die Stärke der synaptischen Übertragung beeinflusst (synaptische Plastizität). Die neuronale bzw. synaptische Plastizität wird als grundlegender Mechanismus für Lernvorgänge und Bildung von Erinnerungen angesehen.
  • Die transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist eine nicht-invasive Methode zur Stimulation von Gehirnbereichen mithilfe starker Magnetfelder. Diese Methode wird in einigen Fällen in der neurologischen Diagnostik und noch seltener in der Behandlung bestimmter neurologischer Erkrankungen wie Tinnitus, Apoplexie, Epilepsie, Parkinson oder Depressionen eingesetzt.
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