Noninvasive Brain Stimulation Lab (NBS-Lab)



Die Arbeitsgruppe forscht unter der Leitung von Prof. Dr. Andrea Antal an Methoden zur nicht-invasiven Gehirnstimulation. Zu diesen zählen unter anderem die transkranielle Gleich- und Wechselstromstimulation als auch die transkranielle Magnetstimulation.

Diese Methoden können zur Behandlung von verschiedenen Erkrankungen des Gehirns wie beispielsweise Depression, Demenz oder Fibromyalgie eingesetzt werden, indem sehr geringe elektrische Ströme möglichst gezielt in die erkrankten Bereiche des Gehirns oder in damit verbundene Neuronen-Netzwerke geleitet werden. Ziel ist hierbei entweder die Reaktivierung eines unteraktivierten oder die Hemmung eines überaktivierten Gehirnareals.

Forschungsschwerpunkte

Transkranielle Gleichstromstimulation

Die transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) ist eine Methode zur nicht-invasiven Stimulation des Gehirns mit Hilfe sehr geringer elektrischer Ströme. Bei diesem Verfahren werden mindestens zwei Elektroden am Kopf des Patienten befestigt und zwischen anodaler und kathodaler Stimulation unterschieden, welche zu einer Erhöhung bzw. Verminderung der kortikalen Erregbarkeit führt (tDCS Database: http://tdcsdatabase.com/; Entwicklung von der Arbeistgruppe in Kollbaroation mit der Gruppe von Prof. Marom Bikson)

Bereits bei kurzer Stimulationsdauer (~10 min) lassen sich positive Effekte beobachten, welche elektrophysiologisch durch eine Depolarisierung oder Hyperpolarisierung der Nervenzellmembrane erklärt werden.

Die erzielten Effekte können sich in Form einer erhöhten Leistung bei unterschiedlichsten Beanspruchungen des Gehirns (z.B. Gedächtnis, Aufmerksamkeit, Schnelligkeit) widerspiegeln, welche je nach Stimulationsdauer auch längere Zeit nach der Behandlung anhalten kann.

Derzeit wird im NBS Lab untersucht, wie tDCS kombiniert mit Achtsamkeits-Meditation, zur Behandlung von chronischen Schmerzen (Fibromyalgie) eingesetzt werden kann.

Transkranielle Wechselstromstimulation

Die transkranielle Wechselstromstimulation (tACS) unterscheidet sich von der Gleichstromstimulation durch die Anwendung oszillierender Wechselströme zur Stimulation des Gehirns. Dies ermöglicht die direkte Interferenz oder Synchronisation mit kortikalen Rhythmen, was zur Änderung der Erregbarkeit oder Aktivität bestimmter Gehirnareale führen kann.

Je nach Frequenz des applizierten Stromes können unterschiedliche Hirnschwingungen beeinflusst werden. Auch ein amplitudenmoduliertes Signal ist möglich, wobei ein hochfrequentes Signal mit einer niederfrequenten Hüllkurve moduliert wird (z.B. theta-gamma-coupling).

Die Anwendungsbereiche dieser Technik sind ähnlich wie bei der Gleichstromstimulation weit gefächert. Das NBS Lab fokussiert sich derzeit auf den Einsatz von tACS zur Behandlung von kognitiven Erkrankungen wie z.B. mild cognitive impairment (MCI), dem Vorstadium der Demenz.

Transkranielle Rauschstromstimulation

Die transkranielle Rauschstimulation (tRNS) kann ebenfalls zur nicht-invasiven Stimulation des Gehirns angewendet werden und zeichnet sich durch einen im Hinblick auf die Amplitude und Frequenz randomisierten Stromfluss aus. Mittels dieser Technik können bestimmte Bereiche des Gehirns angeregt werden, wobei die genauen physikalischen Zusammenhänge noch nicht geklärt sind.

Einige Ansätze zur Erklärung der möglichen Wirksamkeit beziehen sich auf die Interferenz mit kortikalen Rhythmen, auf hervorgerufene plastische Veränderungen oder auf die Verbesserung des signal-to-noise Verhältnisses (SNR) des zentralen Nervensystems, was zu einer verbesserten Sensorik führen kann.

Das NBS Lab will die Wirksamkeit dieser Technik in Bezug auf verschiedene kognitive Erkrankungen in zukünftigen Studien untersuchen.

Transkranielle Magnetstimulation

Die transkranielle Magnetstimulation (TMS) nutzt im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Methoden starke Magnetfelder zur nicht-invasiven Stimulation des Gehirns. Mit dieser Art der kontaktlosen Stimulation können elektrische Ströme im Gehirn induziert werden, wobei sowohl eine Erhöhung als auch eine Verminderung der kortikalen Erregbarkeit erzielt werden kann.

Im Unterschied zu den Methoden der transkraniellen elektrischen Stimulationen (TES), kann die Anwendung von TMS intensitätsabhängig zur Erregung durch direkte Auslösung von Aktionspotenzialen oder zur Hemmung durch Generierung einer Innervationsstille eingesetzt werden.

Diagnostisch wird die Methode durch Stimulation des motorischen Kortex zur Untersuchung von motorisch evozierten Potenzialen (MEP) angewendet, welche Aufschluss über Erkrankungen des Gehirns und des Rückenmarks, wie z.B. Multiple Sklerose, geben.

Therapeutisch wird TMS bzw. repetitive TMS (rTMS) eingesetzt, um die Aktivität der Großhirnrinde längerfristig zu verändern und somit beispielsweise Depressionen zu behandeln.

Derzeit wird im NBS Lab untersucht, wie wir motorisch evozierte Potentiale (MEPs) am Zwerchfell generiert und gemessen werden können. Die Entwöhnung beatmeter Patienten vom Beatmungsgerät (Weaning) ist nicht selten durch eine Inaktivitätsbedingte Schwächung der Atemmuskulatur erschwert. Mit TMS können wir auch im sedierten Zustand die Funktion kortikospinaler Bahnen und der zugehörigen Atemmuskulatur evaluieren. Daher ist es Ziel unseres Projektes TMS-induzierte MEPs von der Zwerchfellmuskulatur intubierter und beatmeter Patienten in der Phase von Entwöhnung vom Beatmungsgerät abzuleiten, um damit evtl. einen frühen prädiktiven Parameter für den Erfolg oder Misserfolg von Weaning versuchen zu etablieren (Dr. Ivan Chakalov und PD Dr. med. Caspar Stefeni).

Kooperationen

  • Prof. Michal Lavidor, Abteilung für Psychologie, Bar Ilan Universität Israel
  • Prof. Dr. Christine von Arnim, Abteilung für Geriatrie, UMG
  • Prof. Dr. Michael Schittkowski, Augenklinik, UMG
  • Prof. Dr. Frank Petzke, Anästhesiologie, UMG
  • Dr. Roberto Goya-Maldonado, Inst. für Psychiatry, UMG
  • Prof. Ivana Rosenzweig, Head, Sleep and Brain Plasticity Centre, Department of Neuroimaging, IoPPN, King’s College London, UK
  • Prof. Dezso Nemeth, Lyon Neuroscience Research Center, Université Claude-Bernard Lyon, France
  • Prof. Gyula Kovacs, Biological Psychology and Cognitive Neurosciences, Institute of Psychology, Friedrich-Schiller-University of Jena
  • Prof. Marom Bikson, Department of Biomedical Engineering, The City College of New York, NY, USA

Die Arbeitsgruppe

Die Gruppe umfasst neben der Leitung durch apl. Prof. Dr. Andrea Antal vier Studenten, die als Doktorand, Master-Absolvent, Erasmusstudent und studentische Hilfskraft an den o.g. Forschungsschwerpunkten arbeiten. Außerdem betreut Prof. Antal fünf Medizinstudenten bei ihrer Doktorarbeit.

Lukas Diedrich, MSc, PhD Student

Perianen Ramasawmy, BSc, Master Student

Krisztian Iszak, BSc, Master Student

Sara Khalid, Zahnärztin, Medizinische Doktorarbeit

Simon Eckardt, Medizinstudent

Jule Volbach, studentische Hilfskraft

Lisa Seeger, studentische Hilfskraft

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Leitung

Prof. Andrea Antal

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