VSR Seminar: Large-scale simulation of the effects of deep brain stimulation
Speaker
Dr. Martin Ebert, INM-7
Contents
Synchronisation ist ein universelles Phänomen, das in Systemen von zwei oder mehr gekoppelten Oszillatoren beobachtbar ist, und spielt eine wichtige Rolle in vielen Spezialgebieten der Physik. Synchronisationsphänomene treten auch in biologischen Systemen und insbesondere im Gehirn, das als System puls-gekoppelter Oszillatoren approximiert werden kann, auf. Die Synchronisation neuronaler Populationen ist eine fundamentale Eigenschaft für die Funktion und Dysfunktion des menschlichen Gehirns.
Ein Beispiel dafür ist das Auftreten des Ruhetremors bei der Parkinson’schen Krankheit, welcher mit der abnormalen Synchronisation spezieller Hirnareale zusammenhängt. Diese Areale sind für die Kontrolle spontaner Bewegungen relevant. Mehrere neue Techniken wurden entwickelt, um dieser pathologischen Synchronisation entgegenzuwirken. Eine sehr vielversprechende davon ist die sogenannte Coordinated Reset (CR) Stimulation, welche mittels tief in das menschliche Gehirn implantierter Elektroden appliziert wird.
Um zu einem tieferen Verständnis der Wirkungsweise dieser Technik beizutragen, wurde der top-down Ansatz vorhergehender Modelluntersuchungen fortgeführt und ein großangelegtes numerisches Modell der betreffenden Hirnstrukturen entwickelt. Dieses Modell setzt sich aus einem neuronalen Netzwerk von 20000 simulierten Neuronen zusammen und berücksichtigt die räumliche anatomische Struktur der modellierten Hirnareale. Mithilfe dieses Modells ist es möglich, sowohl den pathologischen Zustand synchroner neuronaler Aktivität als auch den physiologischen Zustand desynchroner Aktivität nachzubilden.
In diesem Projekt wurde untersucht, wie das Modellsystem durch Störung mittels elektrischer CR Stimulation der Neuronen dauerhaft vom pathologischen in den physiologischen Zustand überführt werden kann. Es wurden unterschiedliche Arten der elektrischen Stimulation betrachtet und deren jeweilige Wirkung hinsichtlich ihrer desynchronisierenden Effekte analysiert. Dabei wurde der Einfluss spezifischer Randbedingungen und Stimulationsparameter auf die Stimulationswirkung einbezogen.
Weitere theoretische Untersuchungen sind notwendig, um die experimentell beobachteten Effekte der CR Stimulation erklären zu können. Dessen ungeachtet kann das in dieser Arbeit vorgestellte Modell als nächster Schritt in Richtung eines biophysikalisch realistischen Modells der für das Auftreten pathologischer Aktivität wichtigen Hirnareale gesehen werden und besitzt das Potential, zu einer Optimierung der für die elektrische CR Stimulation relevanten Parameter beizutragen.