Schneller lernen durch magnetische Hirnstimulation

Was klingt wie Science Fiction ist tatsächlich möglich: Durch die magnetische Stimulation von außen lässt sich die Aktivität bestimmter Hirnnervenzellen gezielt beeinflussen. Was dabei im Gehirn genau passiert, war bisher ungeklärt.

Bochumer Mediziner unter Leitung von Prof. Dr. Klaus Funke (Abteilung Neurophysiologie) konnten nun zeigen, dass verschiedene Reizmuster auf unterschiedliche Zellen wirken und ihre Aktivität hemmen oder steigern. Bestimmte Reizmuster führten so dazu, dass Ratten leichter lernen.

Die Erkenntnisse könnten dazu beitragen, dass die Hirnstimulation künftig gezielter gegen Funktionsstörungen des Gehirns eingesetzt werden kann. Die Forscher haben ihre Studien im Journal of Neuroscience und im European Journal of Neuroscience veröffentlicht.

Magnetische Pulse stimulieren das Gehirn

Die transkranielle Magnetstimulation, kurz TMS, ist eine relativ neue Methode zur schmerzfreien Erregung von Gehirn-Nervenzellen. Die erstmals 1985 von Anthony Barker vorgestellte Methode beruht darauf, dass man mittels eines Magnetfeldes die direkt unter dem Schädelknochen liegende Hirnrinde, den Kortex, stimulieren kann. Anwendung findet die TMS in der Diagnostik, in der Grundlagenforschung und als potenzielles therapeutisches Instrument.

Diagnostisch eingesetzt dient ein einzelner Magnetpuls dazu, die Aktivierbarkeit von Nervenzellen in einem Kortexareal zu testen, um so Veränderungen bei Erkrankungen oder nach Medikament-Einnahme oder auch nach einer vorangegangenen künstlichen Stimulation des Gehirns zu beurteilen. Ein einzelner Magnetpuls kann auch dazu dienen, die Beteiligung eines bestimmten Kortexareals an einer sensorischen, motorischen oder kognitiven Aufgabe zu testen, da er kurzfristig dessen natürliche Aktivität stört, den Bereich also vorübergehend „abschaltet“.

Wiederholte Reize verändern die Gehirn-Aktivität

Seit Mitte der 1990er-Jahre wird die repetitive TMS genutzt, um die Aktivierbarkeit von Nervenzellen im Kortex des Menschen gezielt zu verändern: „Im Allgemeinen verringert sich die Aktivität der Zellen durch eine niederfrequente Stimulation um ein Hz, d.h. durch je einen Magnetpuls pro Sekunde. Bei höheren Frequenzen von fünf bis 50 Pulsen pro Sekunde steigt die Aktivität der Zellen“, erklärt Prof. Funke. Die Forscher beschäftigen sich vor allem mit speziellen Reizmustern wie der sog. Theta-Burst Stimulation (TBS).

Dabei werden 50 Hz-Salven (Bursts) mit 5 Hz wiederholt. „Dieser Rhythmus lehnt sich an den natürlichen Theta-Rhythmus von vier bis sieben Hertz an, den man im EEG beobachten kann“, so Funke. Die Wirkung hängt vor allem davon ab, ob solche Reizmuster kontinuierlich (cTBS, abschwächende Wirkung) oder mit Unterbrechungen (intermittierend, iTBS, verstärkende Wirkung) gegeben werden.

Kontaktstellen zwischen Zellen verstärken sich oder werden geschwächt

Wie genau die Aktivität von Nervenzellen durch wiederholte Reizung verändert wird, ist weitgehend unbekannt. Man nimmt an, dass die Kontaktstellen (Synapsen) zwischen den Zellen durch die wiederholte Reizung verstärkt (synaptische Potenzierung) oder geschwächt werden (synaptische Depression), ein Vorgang, der auch beim Lernen eine wichtige Rolle spielt. So konnte vor kurzem auch gezeigt werden, dass die Wirkungen von TMS und Lernen beim Menschen interagieren.

Hemmende Kortexzellen reagieren besonders empfindlich auf die Stimulation

Die Bochumer Forscher konnten jetzt erstmals zeigen, dass eine künstliche Kortexstimulation in Abhängigkeit des verwendeten Reizprotokolls die Aktivität bestimmter hemmender Nervenzellen gezielt verändert. Das Zusammenspiel erregender und hemmender Nervenzellen ist unbedingte Voraussetzung für das gesunde Funktionieren des Gehirns. Auf Hemmung spezialisierte Nervenzellen zeigen eine weitaus größere Formenvielfalt und Aktivitätsstruktur als ihre erregenden Partner. Unter anderem produzieren sie in ihrem Zellkörper unterschiedliche Funktionsproteine. Prof. Funke konzentrierte sich in seinen Studien auf die Untersuchung der Proteine Parvalbumin (PV), Calbindin-D28k (CB) und Calretinin (CR). Sie werden von verschiedenen hemmenden Zellen aktivitätsabhängig gebildet, so dass ihre Menge Aufschluss über die Aktivität der entsprechenden Nervenzellen gibt.

Reizmuster wirken speziell auf bestimmte Zellen

Die Untersuchungen haben z.B. gezeigt, dass die aktivierend wirkende Stimulation mit Unterbrechungen (iTBS-Reizprotokoll) fast nur die PV-Bildung reduziert, während die Aktivität dämpfende kontinuierliche Stimulation (cTBS-Protokoll) oder eine ebenfalls dämpfende 1 Hz-Stimulation hauptsächlich die CB-Herstellung verringern. Die CR-Bildung veränderte sich durch keines der getesteten Reizprotokolle. Die Registrierung der elektrischen Aktivität von Nervenzellen bestätigte eine veränderte Hemmung der kortikalen Aktivität.

Schneller lernen nach Stimulation

In einer zweiten Studie, kürzlich veröffentlicht im European Journal of Neuroscience, konnte die Arbeitsgruppe von Prof. Funke zudem zeigen, dass Ratten schneller lernen, wenn sie vor jedem Training mit einem aktivierenden Reizprotokoll (iTBS) behandelt wurden, jedoch nicht, wenn das hemmende cTBS-Protokoll verwendet wurde. Es zeigte sich, dass die zunächst reduzierte Bildung des Proteins Parvalbumin (PV) durch die Lernprozedur wieder erhöht wurde, aber nur in den am Lernprozess beteiligten Hirnarealen. Bei Tieren, die nicht an der spezifischen Lernaufgabe beteiligt waren, blieb die PV-Herstellung nach der aktivierenden Stimulation reduziert. „Die iTBS-Behandlung reduziert also zunächst die Aktivität bestimmter hemmender Nervenzellen allgemein, so dass die nachfolgenden Lernaktivitäten leichter gespeichert werden können“, folgert Prof. Funke. „Dieser Vorgang wird als ‚gating‘ bezeichnet. In einem zweiten Schritt normalisiert die Lernaktivität die Hemmung und PV-Bildung wieder.“

Künftig gezielter behandeln

Die repetitive TMS wird bereits versuchsweise mit begrenztem Erfolg zur Therapie von Funktionsstörungen des Gehirns eingesetzt, vor allem bei schweren Depressionen. Außerdem konnte gezeigt werden, dass gerade Funktionsstörungen der hemmenden Nervenzellen bei neuropsychiatrischen Erkrankungen wie z.B. der Schizophrenie eine wichtige Rolle spielen. „Es ist sicher noch zu früh, aus den Ergebnissen unserer Studie neue Formen der Behandlung von Funktionsstörungen des Gehirns abzuleiten, aber die Erkenntnisse liefern einen wichtigen Beitrag für eine in Zukunft vielleicht spezifischere Anwendung der TMS“, hofft Prof. Funke.

Titelaufnahmen

Benali, A., Trippe, J., Weiler, E., Mix, A., Petrasch-Parwez, E., Girzalsky, W., Eysel, U.T., Erdmann, R. and Funke, K. (2011) Theta-burst transcranial magnetic stimulation alters cortical inhibition. J. Neurosci., in press.

Mix, A., Benali, A., Eysel, U.T., Funke, K. (2010) Continuous and intermittent transcranial magnetic theta burst stimulation modify tactile learning performance and cortical protein expression in the rat differently. In: Eur. J. Neurosci. 32(9):1575-86. doi: 10.1111/j.1460-9568.2010.07425.x. Epub 2010 Oct 18.

Weitere Informationen

Prof. Dr. Klaus Funke, Abteilung Neurophysiologie, Medizinische Fakultät der Ruhr-Universität, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-23944, E-Mail: funke@neurop.rub.de

Redaktion: Meike Drießen