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Forschern an der Charité ist es gelungen, durch elektrische Impulse den Dopamineffekt nachzuahmen. Das könnte die medikamentöse Therapie bei Parkinson ersetzen.
Wissenschaftlern der Charité – Universitätsmedizin Berlin ist es gelungen, jene Signale im Gehirn zu entschlüsseln, die willentlichen Bewegungen vorausgehen. Das Team um die Neurowissenschaftler Prof. Andrea Kühn, Prof. John-Dylan Haynes und Prof. Wolf-Julian Neumann hatte dabei vor allem Patienten mit Parkinson im Fokus. In ihrer in der Fachzeitschrift Brain veröffentlichten Arbeit beschreiben sie, wie gezielte elektrische Impulse die Wirkung von Dopamin nachahmen können. Langfristiges Ziel ist es, die tiefe Hirnstimulation weiterzuentwickeln.
Im Sonderforschungsbereich ReTune unter Federführung des Nachwuchswissenschaftlers Richard Köhler werden hierfür feine Elektroden ins Gehirn eingesetzt. Sie senden elektrische Impulse an Nervenzellen, die bestimmte Bewegungen beeinflussen.
„Das Dopaminsystem ist essenziell für menschliches Verhalten, für Gefühlswahrnehmungen oder das Ansprechen auf Belohnungen, aber auch für das Planen und Durchführen von Bewegungen“, erklärt Studienleiter Prof. Neumann. „Auf welche Weise der Botenstoff Einfluss auf die Absicht nimmt, eine Bewegung anzustoßen und inwiefern die tiefe Hirnstimulation diesen Effekt nachahmen kann, war bisher nicht bekannt.“ Diese entscheidende Wissenslücke wollten die Forschenden schließen und den Weg für neue Therapieverfahren bahnen.
Maschinelles Lernen hilft beim „Gedankenlesen“
Vor allem für Parkinson-Patienten könnte das Projekt einen Durchbruch bringen. Denn Parkinson ist mittlerweile die am schnellsten zunehmende Hirnerkrankung weltweit. Betroffene sind in ihrer Lebensqualität deutlich eingeschränkt, eine Heilung gibt es nicht. Die Behandlung erfolgt in der Regel mit Medikamenten, die das fehlende Dopamin ersetzen. Nach einigen Jahren lässt die Wirkung jedoch nach und stark beeinträchtigende Nebenwirkungen stellen sich ein. Für einige Patienten kommt in dieser Situation eine tiefe Hirnstimulation infrage. Um das Verfahren noch wirkungsvoller und präziser zu gestalten, haben die Neurowissenschaftler dort angesetzt, wo Bewegungen entstehen, und untersucht, wie sie im Gehirn vorbereitet werden.
„Wir haben uns eine Kombination recht außergewöhnlicher Methoden zunutze gemacht“, erklärt Prof. Kühn. Bei Parkinson-Patienten, die sich einer neurochirurgischen Operation zur tiefen Hirnstimulation unterzogen hatten, wurden Hirnsignale von Bewegung auslösenden Arealen der Hirnrinde und aus der Tiefe des Gehirns gemessen, während sie bewusste Bewegungen durchführten. Diese Hirnsignale wurden anschließend über eine Gehirn-Computer-Schnittstelle und mit Methoden des Maschinellen Lernens ausgelesen. „So war es möglich, eine Bewegungsabsicht sehr früh, noch vor der eigentlichen Muskelaktivierung, aufzuspüren“, führt Kühn weiter aus und betont, dass ohne den Einsatz der insgesamt 25 Patienten eine solche Studie nicht möglich gewesen wäre.
Erst die Absicht, dann die Bewegung
Bereits Sekunden vor der eigentlichen Aktion konnten die Forscher die Absicht zu einer Bewegung entschlüsseln. Um dem Einfluss von Dopamin auf die Spur zu kommen, wiederholten sie den Vorgang vor und nach einer Gabe des Botenstoffes – mit erstaunlichem Ergebnis. „Das Dopamin beschleunigt den Prozess von der Bewegungsintention, also dem Zeitpunkt, an dem das Gehirn erstmals anzeigt, dass eine Bewegung in Planung ist, bis zur eigentlichen Durchführung, deutlich. Auch die Frequenz der Hirnsignale ändert sich, was zu einer schnelleren Umsetzung einer Bewegung führt“, erläutert der Hirnforscher Prof. Haynes.
Der Verlust von Dopamin beim Parkinson-Syndrom beeinträchtigt die Kommunikation zwischen tiefen Hirnregionen und motorischer Hirnrinde, auch die Kommunikationsfrequenz verschiebt sich. Genau an dieser Stelle setzt das Team therapeutisch an. „Durch gezielte tiefe Hirnstimulation konnten wir den Effekt von Dopamin imitieren. Die Kommunikation im Hirnnetzwerk wurde schneller und die für Parkinson typische Bewegungsverzögerung verkürzte sich“, sagt Prof. Neumann. Das sei besonders spannend, weil man zukünftig die tiefe Hirnstimulation im Sinne einer intelligenten Gehirn-Computer-Schnittstelle einsetzen könnte. „Sobald der Wille zu einer Bewegung ausgelesen wird, ließe sich mittels elektrischer Impulse der Weg bis zu ihrer Ausführung beschleunigen“, prognostiziert Neumann.
Solche sogenannten Hirnschaltkreisprothesen können krankhaft veränderte Hirnsignalmuster korrigieren – in diesem Fall Bewegungsabsichten in Echtzeit entschlüsseln und eine Hirnstimulation anstoßen, sobald sich Patienten bewegen wollen. Weitere Forschungsarbeiten werden sich anschließen, um die Therapieform weiterzuentwickeln.
