Besser Verlernen dank Pausen: Neue Erkenntnisse über die Stimulation von übermäßig synchronen Nervenzellen

Jülicher Wissenschaftler haben einen neuen Ansatz gefunden, um die Behandlung mit sogenannten desynchronsierenden Stimulationstechniken zu verbessern. Computersimulationen ergaben, dass sich das Fehlverhalten der Nervenzellen offensichtlich auch mit eigentlich zu schwachen Stimulationen wieder beseitigen lässt, wenn ausreichend lange Pausen zwischen den Stimulationen eingelegt werden. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift PLOS ONE veröffentlicht.

Die Wissenschaftler vom Jülicher Institut für Neurowissenschaften und Medizin erzeugten am Computer einen Verband von 256 Neuronen. Den Verband versetzten sie in einen Zustand, bei dem die Nervenzellen übermäßig synchron aktiv waren und ihre Signale gleichzeitig abfeuerten.

„Ursachen für eine solche krankhafte synchrone Überaktivität sind Fehlsteuerungen im Gehirn. Bei gesunden Menschen feuern Nervenzellen nicht derart global und übermäßig synchron, sondern eher selektiv vernetzt und auf koordinierte Weise in funktionell relevanten Gruppen“, erklärt Prof. Peter Tass, Leiter des Institutsbereichs Neuromodulation.

Den simulierten Nervenzellenverband haben die Forscher mit kurzen elektrischen Signalen nach einem genauen zeitlichen und räumlichen Muster stimuliert – und zwar nach dem Prinzip der Coordinated Reset (CR) Stimulation. Bei dieser Methode, die Tass entwickelt hat, werden unterschiedliche Teile eines betroffenen Nervenzellverbandes durch eine speziell gemusterte Abfolge milder Reize gezielt gestört. Hierdurch gerät mit der Zeit der gesamte betroffene Nervenzellenverband außer Takt und verlernt so die unerwünschte synchrone Überaktivität wieder.

Bislang waren die Forscher davon ausgegangen, dass so eine Stimulation über einen längeren Zeitraum einmal am Tag mehrere Stunden durchgeführt werden muss. „Im Laufe unserer Forschung kamen wir auf die Idee, die Auswirkung von Pausen auf den Stimulationserfolg zu untersuchen“, blickt der Jülicher Wissenschaftler zurück. Die Forscher variierten bei dem simulierten Zellverband die Länge der Stimulationen sowie der Pausen und machten eine erstaunliche Entdeckung: Bei bestimmten Kombinationen stellte sich der lang anhaltende desynchronisierende Effekt auch dann ein, wenn die Stärke der Stimulationsreizes eigentlich zu schwach war. „Aus den bisherigen Forschungen wissen wir, dass bei dauerhaften CR-Stimulationen nur dann eine Wirkung bei den Nervenzellverbänden erreicht wird, wenn die Intensität des Reizes eine bestimmte Mindestgröße hatte. Mit den richtigen Pausen reichte in den Computersimulationen auch eine deutlich geringere, ansonsten unwirksame Intensität“, so der Jülicher Wissenschaftler.

Dieses Prinzip der Pausen ist der Wissenschaft nicht fremd. Forscher haben bereits vor mehr als hundert Jahren festgestellt, dass man sich Dinge besser merken kann, wenn man sie in immer größer werdenden Abständen wiederholt. Dieser sogenannte Spacing Effect oder Intervall-Effekt geht auf den deutschen Psychologen Hermann Ebbinghaus (1850-1909) zurück, dem Begründer der experimentellen Erforschung des Gedächtnisses.

„Unsere mathematischen Modelle sind gegenüber einem realen biologischen Gehirn natürlich vergleichsweise einfach. Dennoch: Dieses fundamentale Lernprinzip hat bei der von uns entwickelten CR-Stimulation sehr gut funktioniert – das hatten wir so deutlich gar nicht erwartet“, erklärt Peter Tass. Die besten Ergebnisse erzielten die Jülicher Forscher, wenn die Pausen mindestens 1000-mal so lang waren wie die Perioden der zu desynchronisierenden neuronalen Aktivität. So eine Periode dauert beispielsweise beim Parkinsonschen Zittern etwa 200 Millisekunden.

Peter Tass erhofft sich durch die neuen Erkenntnisse mit dem Spacing Effect eine weitere Verbesserung der Coordinated Reset Stimulation – auch wenn eine Behandlung mit geringerer Intensität und bestimmten Pausen länger dauern würde. Insbesondere bei invasiven Methoden, bei denen das Stimulationsgerät im Körper implantiert wird, könnte dieser Ansatz aus seiner Sicht Vorteile bringen: „Die geringere Intensität könnte Nebenwirkungen der tiefen Hirnstimulation, die durch Ausbreitung des Reizstroms in die Nachbarschaft des eigentlichen Zielareals entstehen, reduzieren. Bei den invasiven Methoden, die etwa bei der Parkinson-Krankheit eingesetzt werden, ist es nicht so entscheidend, ob über mehrere Wochen oder mehrere Monate stimuliert werden muss, bis der therapeutische Effekt der Stimulation voll ausgeprägt ist. Hingegen kann es für den einzelnen Patienten ganz entscheidend sein, dass er während dieser Zeit keine ausgeprägten Nebenwirkungen zu ertragen hat.“

Die Forscher wollen nun die Weiterentwicklung ihrer Methode vorantreiben, um beispielsweise mit immer weniger Reizen immer größere Effekte zu erzielen.

Originalveröffentlichung:

The Spacing Principle for Unlearning Abnormal Neuronal Synchrony. Oleksandr V. Popovych, Markos N. Xenakis und Peter A. Tass. PLOS ONE,
DOI: 10.1371/journal.pone.0117205: http://dx.plos.org/10.1371/journal.pone.0117205

Weitere Informationen:

Institut für Neurowissenschaften und Medizin, Bereich Neuromodulation (INM-7)

Ansprechpartner:

Prof. Peter Tass
Institut für Neurowissenschaften und Medizin, Bereich Neuromodulation (INM-7)
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E-Mail: p.tass@fz-juelich.de

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