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Gezielt aus dem Takt gebracht

Durchbruch bei Hirnschrittmachern

[26. April 2005]

Jülich, 26. April 2005 - Wenn Parkinsonkranken unkontrollierbar die Hände zittern, liegt das daran, dass bestimmte Zellen in ihrem Gehirn fortwährend im selben Takt "feuern". Unterbrechen lässt sich diese synchrone Aktivität der Nervenzellen mit so genannten Hirnschrittmachern - feinen Elektroden im Hirn, welche die Tätigkeit der betroffenen Nervenzellen mit elektrischen Dauer-Impulsen stoppen. Wissenschaftler des Instituts für Medizin (IME) des Forschungszentrums Jülich entwickelten jetzt ein neues Verfahren, das nur einen verschwindend geringen Reizstrom benötigt, um die betroffenen Nervenzellen aus dem Takt zu bringen. Es ist daher zu erwarten, dass es deutlich schonender für die Patienten sein wird.

Hirnzellen, die zusammenarbeiten, stimmen sich untereinander ab - sie schwingen im selben Rhythmus. Doch allzu viel Übereinstimmung ist von Übel. Um fein koordinierte Muskelbewegungen zu steuern, müssen die Neuronen sozusagen genau abgestimmte Figuren nacheinander tanzen. Stampfen sie stattdessen wie eine Marschkolonne stur im gleichen Tritt, kommt es zum Tremor - dem charakteristischen Zittern, das bei der Parkinson-Krankheit und einigen angeborenen Bewegungsstörungen auftritt.

Seit einigen Jahren können die Patienten, wenn Medikamente nicht ausreichend wirken, mittels tiefer Hirnstimulation vom Tremor befreit werden. Dafür werden ihnen durch winzige Löcher im Schädel Elektroden eingesetzt, die ständig Signale mit hoher Frequenz aussenden und so die übermäßig synchron arbeitenden Neuronen stoppen. Dieses Verfahren kann aber zu Nebenwirkungen führen. Außerdem gibt es Patienten, bei denen die therapeutische Wirkung der tiefen Hirnstimulation von Anfang an nicht ausreichend ist oder im Laufe der Behandlung nachlässt.

Die Forscher des IME arbeiten daher an einem bedarfsgesteuerten Hirnschrittmacher, der nur dann Störsignale sendet, wenn die Hirnzellen beginnen krankhaft im gleichen Takt zu feuern. In den Physical Review Letters berichten die Wissenschaftler jetzt über einen entscheidenden Fortschritt ihrer Arbeit. "Der Schrittmacher misst die synchrone Aktivität der Neuronen und sendet dieses Signal ständig mit einer kurzen Zeitverzögerung wieder in die Hirnzellen zurück", erläutert Prof. Peter Tass, der am IME die Arbeiten zum Hirnschrittmacher leitet. Die Zellen stolpern gleichsam über diese Rückkopplung, geraten aus dem Takt, und die Synchronisation reißt ab, ehe sich noch richtig begonnen hat. Entscheidend dabei ist, dass die Zellen nicht einfach ein zeitversetztes Echo ihrer Aktivität empfangen. Das Signal wird zuvor mit sich selbst sowie mit einer zeitverzögerte Kopie multipliziert - die Wissenschaftlersprechen von "nichtlinearer Verarbeitung". Das Echo wird sozusagen verzerrt, ehe es ins Hirn zurückgeleitet wird. Die Nervenzell-Gruppe und der Schrittmacher bilden gemeinsam ein System, das dann am stabilsten ist, wenn die Zellen nicht synchron feuern - das vom Schrittmacher eingespeiste Echo ist daher die meiste Zeit verschwindend gering.

"Unser Verfahren hat verblüffende Eigenschaften, die gerade für die klinische Anwendung extrem wichtig sind", berichtet Tass. "Es ist sehr schonend, denn stimuliert wird nur ganz kurz, wenn die synchrone Aktivität der Hirnzellen einsetzt. Außerdem ist das System auf phantastische Weise robust. So funktioniert es auch dann hervorragend, wenn sich die Frequenzen verändern, mit denen die Neuronen feuern." Auch ist bei diesem Verfahren ausgeschlossen, dass die Rückkopplung unbeabsichtigt die Synchronisation verstärkt. Das geschieht, wenn das Signal ohne "Verzerrung" nur zeitversetzt an die Nervenzellen zurückgesendet wird. "Ein weiterer Vorteile unseres Verfahrens ist, dass es keine aufwändige Steuerelektronik benötigt, welche ständig berechnet, ob erneut stimuliert werden muss", hebt Tass hervor. Denn die Zellen erzeugen das Störsignal ja durch ihre synchrone Aktivität selbst - just intime.

Damit ist das neue Verfahren ein entscheidender Durchbruch in der Weiterentwicklung von Hirnschrittmachern. Bisher wurde es theoretisch entwickelt und in Computersimulationen getestet. In den nächsten Monaten wird es am Tiermodell erprobt, und spätesten im nächsten Jahr sollen klinische Versuche beginnen.

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Fotos: Forschungszentrum Jülich
Neue Methode der nichtlinearen Verarbeitung ("verzerrtes Echo"):
Die ganze Neuronenpopulation wird entweder über eine Elektrode stimuliert (oben) oder jedes Neuron wird einzeln über je eine Elektrode stimuliert (unten).
Für klinische Anwendung nicht geeignete ältere Methode des "unverzerrten Echos" (Bild rechts).
x-Achse: Zeitverzögerung als Vielfaches der Periode T des Rhythmus der Neuronen
y-Achse: Stimulationsparameter K (Verstärkungsfaktor der Stimulation)

blau: komplette Desynchronisation
rot: maximale Synchronisation


Pressekontakt:

Annette Stettien
Wissenschaftsjournalistin
Forschungszentrum Jülich
52425 Jülich
Tel. 02461 61-2388, Fax 02461 61-4666
E-Mail: a.stettien@fz-juelich.de

Dr. Angela Lindner
Leiterin Öffentlichkeitsarbeit
Forschungszentrum Jülich
52425 Jülich
Tel. 02461 61-4661, Fax 02461 61-4666
E-Mail:a.lindner@fz-juelich.de


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