Gezielt aus dem Takt gebracht: Durchbruch bei Hirnschrittmachern
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.
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 Wissenschaftler sprechen 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 in time.
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, spätesten im nächsten Jahr sollen klinischen Versuche beginnen.
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