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Institut für Neurowissenschaften und Medizin
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Neurotechnologie


Simulation der desynchronisierenden Wirkung von Stimulationsverfahren 

In diesem Themenbereich untersuchen wir den sogenannten „Anti-Kindling“ Effekt bei unterschiedlichen Stimulationsverfahren, insbesondere bei der Standard-Hochfrequenz(HF)-Stimulation, bei der Coordinated Reset (CR®)-Stimulation und bei Verfahren, die eine zeitverzögerte Rückkopplung der neuronalen Signale verwenden. Die Untersuchungen werden mittels eines mathematischen Modells der anatomischen Zielstrukturen vorgenommen.

Unterschiedliche Stimulationsmechanismen können dazu führen, dass vielfältige neuronale Strukturen aktiviert werden, die durch Ihre inhibitorische oder exzitatorische Wirkung die neuronale Dynamik auf sehr differenzierte Weise beeinflussen. Die bisher durchgeführten Untersuchungen zeigen beispielsweise (Hauptmann & Tass, BioSystems 2007), dass ein rein exzitatorischer Stimulationsmechanismus sowohl bei HF- also auch bei CR®-Stimulation zu einer dauerhaften Reduktion der krankhaften Synchronisation führen kann, wobei die neuronale Plastizität berücksichtigt werden muss. Bei einer Mischung der Stimulationsmechanismen führt nur die neuartige CR®-Stimulation zu lang-anhaltenden therapeutischen Effekten.


Neurotechnologie 1Effekt der CR (blau) und HF (rot) Stimulation in Abhängigkeit des Stimulationsmechanismus.



Referenzen:

P.A. Tass and C. Hauptmann Anti-kindling achieved by stimulation targeting slow synaptic dynamics Restorative Neurology and Neuroscience,Vol. 27(6), 589-609 (2009).

C. Hauptmann, P.A. Tass Cumulative and after-effects of short and weak coordinated reset stimulation: a modeling study Journal of Neural Engineering, Vol. 6, 016004 (2009).

C. Hauptmann, O. Popovych & P.A. Tass, Desynchronizing the abnormally synchronized neural activity in the subthalamic nucleus - a modeling study, Expert Review of Medical Devices 4(5) 633-650 (2007).

C. Hauptmann, O. Omelchenko, O.V. Popovych, Y. Maistrenko & P.A. Tass, Control of spatially patterned synchrony with multisite delayed feedback, Physical Review E, Vol. 76, 066209 (2007).

P.A. Tass & C. Hauptmann, Therapeutic modulation of synaptic connectivity with desynchro- nizing brain stimulation, International Journal of Psychophysiology, Vol. 64, 53-61 (2007).

C. Hauptmann & P.A. Tass, Therapeutic rewiring by means of desynchronizing brain stim- ulation, Biosystems, Vol. 89, 173-181 (2007).

C. Hauptmann, O. Popovych & P.A. Tass, Demand-controlled desynchronization of oscilla- tory networks by means of a multisite delayed feedback stimulation, Computing and Visual- ization in Science, Vol. 10(2), 71-78 (2007).

P.A. Tass & C. Hauptmann, Therapeutic rewiring by means of desynchronizing brain stim- ulation, Nonlinear Phenomena in Complex Systems, Vol. 9(3), 298-312 (2006).

C. Hauptmann, O. Popovych & P.A. Tass, Effectively desynchronizing deep brain stimula- tion based on a coordinated delayed feedback stimulation via several sites: a computational study, Biol. Cybern., Vol. 93, 463-470 (2005).

C. Hauptmann, O. Popovych & P.A. Tass, Multi-Site Coordinated Delayed Feedback for an Effective Desynchronization of Neuronal Networks, Stochastics and Dynamics, Vol. 5, No. 2, 307-319 (2005).

C. Hauptmann, O. Popovych & P.A. Tass, Delayed Feedback Control of Synchronization in Locally Coupled Neuronal Networks, Neurocomputing, Vol. 65-66, 759-767 (2005).


Einfluss der Stimulation auf die physiologische Signalverarbeitung 

Der Verlust einer gerichteten Signalverarbeitung ist eine wichtige Hypothese für die Erklärung funktionaler Defizite, welche der Parkinson‘schen Erkrankung zugeordnet werden. Unter Zuhilfenahme eines mathematischen Modells untersuchen wir in diesem Themenbereich den Einfluss der elektrischen Stimulation auf die Fähigkeit der Signalverarbeitung der gestörten neuronalen Strukturen. Um dies zu bewerkstelligen, werden neben den synaptischen Verbindungen und der spontanen neuronalen Aktivität auch schwache sensorische Inputs berücksichtigt, welche das zu verarbeitende Signal darstellen. Wir können zeigen, dass schwache desynchronisierende Stimulation, hier wurde der Coordinated Reset (CR®)- verwendet, zu einer Wiederherstellung der Strukturen führen kann, die eine effektive Signalverarbeitung gewährleisten. Gleichzeitig führt die desynchonisierende Stimulation zu einer dauerhaften Reduktion der krankhaften Synchronisation.



Neurotechnologie 2Effekt der CR (A) und HF (B) Stimulation auf die Ausprägung von funktionalen Cluster und die dauerhafte Reduktion der krankhaften synchronen Aktivität.



Referenzen:

C. Hauptmann, P.A. Tass Restoration of segregated, physiological neuronal connectivity by desynchronizing stimulation J Neural Eng. Vol. 7, 056008 (2010).



Optimierung der Verfahren der therapeutischen Neuromodulation und Umsetzung in klinischen Studien

Die Arbeitsgruppe Neurotechnologie beschäftigt sich mit der technischen Optimierung und Umsetzung der Verfahren zur therapeutischen Neuromodulation. Die am INM-7 entwickelten Verfahren zur Neuromodulation wurden sowohl im Bereich der Parkinson- als auch im Bereich der Tinnitus-Therapie erfolgreich eingesetzt. Die entsprechenden Proof-of-Concept Studien, die durch die Arbeitsgruppe Neurotechnologie unterstützt wurden, zeigten aber auch, dass eine Optimierung der Stimulationsvorrichtungen und Methoden zu einer signifikanten Verbesserung der therapeutischen Ergebnisse der neuromodulatorischen Stimulation führen kann. Daher haben wir uns zum Ziel gesetzt, die einzelnen Komponenten der Stimulationssysteme, reichend von der Elektrode über den Pulsgenerator bis zu der gewählten Pulsform, im Detail zu untersuchen und Optimierungspotentiale aufzuzeigen.

Zur Untersuchung der von uns vorgeschlagenen Optimierungschritte nutzen wir mathematische Modelle neuronaler Netzwerke, Finite-Elemente Methoden zur Berechnung der Ausbreitung elektrostatischer Felder, bildgebende Verfahren und experimentelle Untersuchungen.

Neurotechnologie 3Externer Hirnschrittmacher



Referenzen:

C. Hauptmann, J.C. Roulet, J.J. Niederhauser, W. Dll, M.E. Kirlangic, B. Lysyansky, V. Krachkovskyi, M.A. Bhatti, U.B. Barnikol, L. Sasse, C.P. Bhrle, E.-J. Speckmann, M. Gtz, V. Sturm, H.- J. Freund, U. Schnell and P.A. Tass External trial deep brain stimulation device for the application of desynchronizing stimulation techniques Journal of Neural Engineering, Vol. 6, 066003 (2009).

P.A. Tass, A.N. Silchenko, C. Hauptmann, U.B. Barnikol and E.-J. Speckmann Long-lasting desynchronization in rat hippocampal slice induced by coordinated reset stimulation Physi- cal Review E, Vol. 80, 011902 (2009).

J. Buhlmann, L. Hofmann, P.A. Tass and C. Hauptmann Modeling of a segmented electrode for desynchronizing deep brain stimulation Frontiers in Neuroengineering, Vol. 4 (2011)




Aktuell werden im Bereich Neurotechnologie Arbeiten in den folgenden Bereichen durchgeführt:

  • Optimierung des Elektrodendesigns für eine zielgerichtete Stimulation
    (J. Buhlmann)

 

 

Zusatzinformationen

Leiter der Arbeitsgruppe

Dr. rer. nat. Christian Hauptmann

Gebäude: 15.2, Raum: 417

Tel.:  +49-2461-61-1884
Fax:  +49-2461-61-1880
c.hauptmann@fz-juelich.de

Adresse

INM-7
Forschungszentrum Jülich
Wilhelm-Johnen-Straße
52425 Jülich


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